Materialien und Produkte aus der Bioökonomie

Bioökonomische Materialien und Produkte sind bereits heute vielfältig im alltäglichen Einsatz. Die Anwendungen reichen von Papier über Waschmittel bis zu Kosmetik und Biokunststoffen. Hier können Sie die weiten Anwendungsmöglichkeiten der Bioökonomie erkunden.

Was bedeutet Kaskadennutzung?

Unter Kaskadennutzung versteht man die Mehrfachnutzung eines Rohstoffs in aufeinanderfolgenden Stufen. Nachwachsende Rohstoffe lassen sich teilweise in vielen aufeinanderfolgenden Anwendungen nutzen, bevor sie entsorgt werden müssen. Insbesondere im Holz-, Textil-, Kunststoff- und Papiersektor hat die Kaskadennutzung ein großes Potenzial zur Erhöhung der Ressourceneffizienz.

Beispiel Holz: Vor dem Hintergrund der steigenden Nachfrage nach diesem nachwachsenden Rohstoff und dem gleichzeitig begrenzten Angebot ist es ökonomisch wie ökologisch sinnvoll, die Ressource Holz möglichst effizient zu nutzen. Zurzeit werden 44 Prozent des in deutschen Wäldern geernteten Holzes direkt zur Energiegewinnung verfeuert, ohne vorher sinnvoll („stofflich“) genutzt worden zu sein. Auch Altholz aus Sanierungen oder Abbruchmaßnahmen wird meist gleich entsorgt.

Eine mehrstufige Kaskadennutzung hingegen sorgt für möglichst viele Verwertungsstufen zwischen der ersten stofflichen Verwendung und der energetischen Nutzung. So kann Altholz, beispielsweise aus Innenverkleidungen, zur Produktion von Möbeln verwendet werden (ggf. nach einer Aufbereitung).

Haben diese Möbel ihre Nutzungsdauer erreicht, kann das Material zum Beispiel zu Spanplatten oder Verpackungen weiterverarbeitet werden. Erst am Schluss steht dann die thermische Nutzung, also die Verbrennung zur Energiegewinnung.

Lignin als Rohstoff

Lignin (von lateinisch lignum, „Holz“) bezeichnet eine Gruppe von Makromolekülen, die in die pflanzliche Zellwand eingelagert werden und deren Verholzung bewirken. Als Stützmaterial haben Lignine, im Zusammenspiel mit Zellulose, eine große Bedeutung für die Festigkeit pflanzlicher Strukturen.

Als Makromoleküle bezeichnet man relativ große Moleküle, die aus einer großen Anzahl kleinerer Untereinheiten aufgebaut sind. Im Falle von Ligninen sind diese Untereinheiten Derivate (Abkömmlinge) der chemischen Verbindung Phenol.

Neben Cellulose und Chitin sind Lignine die häufigsten organischen Verbindungen auf der Welt. Man schätzt, dass weltweit jährlich etwa 20 Milliarden Tonnen Lignine neu gebildet werden.

Ihre chemische Zusammensetzung und die großen Mengen, in denen sie verfügbar sind, machen Lignine interessant als eine nachwachsende Rohstoffbasis, die eine mögliche Alternative zum fossilen Rohstoff Erdöl darstellt. Außerdem steht ihre Gewinnung aus Holz im Gegensatz zu anderen pflanzlichen Rohstoffen nicht in Konkurrenz zur Produktion von Nahrungsmitteln.

Waschen mit Biotechnologie

Für die längste Zeit der Menschheitsgeschichte war Wäschewaschen Schwerstarbeit, und das ist es in vielen Teilen der Welt heute noch. Sich täglich ein frisches Hemd anziehen zu können, war ein Zeichen von Privilegierung und Wohlstand, denn nur Wohlhabende konnten sich das Personal leisten, welches diese mühsame Arbeit verrichtete: Dabei wurde oft eine Lauge aus Asche verwendet, die einerseits mechanisch wirkte, andererseits durch ihren alkalischen Charakter Fette entfernte. Aber ohne kräftezehrende Bearbeitung, Spülen, Bleichen und Wringen ging es trotzdem nicht.

Anfang des 20. Jahrhunderts kam dann das erste „selbsttätige“ Waschmittel auf den Markt – das Versprechen sauberer Wäsche in 30 Minuten bei 95 Grad Celsius stellte damals einen großen Fortschritt dar. Auch die ersten elektrisch angetriebenen Waschmaschinen kamen zu dieser Zeit in Gebrauch.

Von der Aschenlauge von anno dazumal sind heutige Waschmittel weit entfernt. Bei ihnen handelt es sich um Hightech-Produkte aus bis zu 30 verschiedenen Komponenten.
Mittlerweile verzichtet man auf die lange Zeit üblichen Phosphate zur Wasserenthärtung und setzt stattdessen umweltfreundlichere Substanzen ein, beispielsweise Zeolithe. Auch die synthetischen Tenside wurden mittlerweile überwiegend durch biologisch abbaubare Tenside ersetzt.

Außerdem enthalten heute etwa 80 Prozent der auf dem Markt befindlichen Waschmittel Enzyme, also Bio-Katalysatoren. Diese übernehmen jeweils spezifische Aufgaben – so bauen Proteasen eiweißhaltige Verschmutzungen ab, während Amylase stärkehaltige Verunreinigungen auflösen oder Lipasen Fettflecke entfernen. Auch Cellulasen kommen zum Einsatz, denn sie entfernen die winzigen Knötchen auf Baumwollgewebe und machen die Stoffoberfläche glatter.

Als Katalysatoren werden Enzyme bei ihrer Tätigkeit nicht verbraucht, weshalb schon geringe Mengen im Waschmittel ausreichen. Mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen lassen sie sie sich in größeren Mengen sehr rein und umweltschonend produzieren. Da sie schon bei niedrigen Temperaturen aktiv sind, ermöglichen sie entsprechend niedrige Waschtemperaturen, was den Energieverbrauch und damit den Kohlendioxidausstoß senkt.

Kosmetik aus nachwachsenden Quellen

Viele Substanzen, die in Kosmetika enthalten sind und heute noch auf Basis von Erdöl produziert werden, lassen sich prinzipiell aus nachwachsenden Rohstoffen gewinnen. Im Folgenden sind einige Beispiele genannt:

Tenside: Ob in Shampoos oder Duschgels – richtig sauber wird es erst mit oberflächenaktiven Substanzen, den Tensiden. Im Jahr 2017 wurden weltweit etwa 18 Millionen Tonnen Tenside für die verschiedensten Anwendungen hergestellt, davon entfielen nur knapp 400.000 Tonnen auf Biotenside. Doch der Markt für sie wächst jährlich um mehr als vier Prozent. Eine besonders interessante Klasse der Biotenside stellen hierbei die sogenannten Rhamnolipide dar, die sich nicht nur aus Pflanzenölen, sondern auch biotechnologisch mit Hilfe geeigneter Bakterienstämme herstellen lassen. Seit 2016 werden diese von der Firma Evonik in einer Pilotanlage in der Slowakei produziert.

Polymere: Um die Fließeigenschaften und die Textur von Lotionen und Cremes zu verbessern, kommt oft die Verbindung Poly-Isobuten zum Einsatz. Das Spezialchemie- Unternehmen Clariant und das Biotechnologie-Unternehmen Global Bioenergies haben ein Verfahren zur Produktion der Vorläuferverbindung Isobuten mit Hilfe von Bakterien entwickelt. Da die Eigenschaften von Poly-Isobuten völlig unabhängig von seiner Herkunft sind, lässt sich somit eine weitere erdölbasierte Komponente problemlos ersetzen.

Parfums: Die Gewinnung natürlicher Duftstoffe ist oft aufwändig und teuer, so dass die Herstellung mithilfe biotechnologischer Methoden attraktiv ist. Das dänische Start-Up Mosspiration Biotech hat Moos gezielt so verändert, dass es bestimmte Duftmoleküle produziert. Moos lässt sich in Tanks anbauen und benötigt bedeutend weniger Fläche als beispielsweise ein Lavendelfeld. Auch ist Moos sehr genügsam und benötigt außer Licht und Wasser nur wenige Nährstoffe. Als Lufterfrischer ist das komplette Moos schon am Markt.

Burger im Graspapier

Fast-Food-Restaurants werden von vielen Menschen kritisch gesehen – insbesondere aufgrund des hohen Ressourcenverbrauchs sowie wegen der großen Mengen an Verpackungsmüll. Eine bekannte Schnellrestaurantkette hat unlängst einen Feldversuch zur Eignung nachhaltiger Verpackungskonzepte zum Einsatz gebracht – u. a. mit Ketchup in der Waffelschale, Getränken im Mehrwegbecher und dem Burger im Papier aus Gras.

Insbesondere Letzteres stellt dabei eine besonders innovative Komponente dar: Die Herstellung von Fasern aus Gras ist nicht so energieaufwändig wie die Gewinnung von Zellstoff aus Holz, benötigt weniger Wasser und kommt ohne problematische Chemikalien aus. Entwickelt wurde dieses Papier von dem Start-Up Apomore aus Dettenhausen und besteht zu einem Drittel aus Gras von der Schwäbischen Alb. In dieser Form ist es bereits als schlichte Burger-Verpackung geeignet, doch die Schwaben haben noch mehr in petto: Mit einer dünnen Beschichtung aus Bienenwachs gewinnt dieses nachhaltige Papier auch hervorragende Frischhalteeigenschaften.

Diese gewachste Variante des Papiers – „Bee-Paper“ genannt – geht auf Arbeiten des oberfränkischen Schülers Hannes Stengel im Rahmen eines Jugend-Forscht-Projektes zurück. Seit Sommer 2019 kommt das Bee-Paper „Wax“ in den ersten Bioläden und Supermärkten zum Einsatz. Die genannte Schnellrestaurantkette will übrigens bis 2025 nur noch recyclingfähige Verpackungen aus erneuerbaren, recycelten oder zertifizierten Quellen nutzen – ein großer Markt für das Graspapier von der Schwäbischen Alb.