HMF als hochpotente Basischemikalie für Kunststoffe

Um die Lebensmittelverschwendung zu reduzieren, gibt es unterschiedliche Vorgehens­weisen. Einerseits kann die Qualität der Verpackungen verbessert werden, damit die Produkte besser geschützt und länger haltbar sind. Andererseits sollen Möglichkeiten für eine sinnvollere Verwertung der unvermeidbaren Reste gefunden werden. An beiden Lösungsansätzen ist Markus Götz, Doktorand am Fachgebiet Konversionstechnologien nachwachsender Rohstoffe am Institut für Agrartechnik der Universität Hohenheim unter Leitung von Prof. Dr. Andrea Kruse maßgeblich beteiligt. Schon während seines Masterstudiums „Nachwachsende Rohstoffe und Bioenergie“ beschäftigte er sich intensiv mit der Nutzung von biologischem Material zur Synthese von 5-Hydroxymethylfurfural (HMF). „HMF ist eine hochpotente Basischemikalie, die als Ausgangsstoff für Kunststoffe und viele weitere Materialien dient“, erläutert Götz.

Bisher stellen Produzenten das HMF direkt aus dem Zucker Fructose her, der allerdings teuer und selbst ein Nahrungsstoff ist. „Wir haben deshalb die Herstellungskette vorne erweitert und nutzen verschiedenste Kohlenhydratquellen aus Reststoffbiomasse. Die Palette ist sehr groß: von Cellulose aus Holz oder Miscanthus (Chinagras) über Inulin aus der Chicorée-Wurzelrübe oder Zwiebelschalen bis hin zu Stärke aus alten Brötchen oder Kartoffelschalen.“

Bei der Herstellung von HMF kommt das Verfahren der hydrothermalen Umwandlung zum Einsatz. Dabei wird das biologische Ausgangsmaterial in einem Reaktor quasi wie in einem Schnellkochtopf mit leicht angesäuertem Wasser und unter Druck (20 bar) auf 160 bis 200 °C erhitzt. Dies führt zur Zersetzung der Kohlenhydratketten in die einzelnen Zuckerbausteine. Aus Fructose entsteht dann unter diesen Bedingungen durch dreifache Wasserabspaltung HMF. Glucose hingegen ist kein direktes Ausgangsmaterial, sondern muss sich erst in Fructose umwandeln (Tautomerisierung). Damit nicht zu viele unerwünschte Nebenprodukte entstehen, wird der Prozess nach kurzer Zeit gestoppt und das HMF aus der noch vorhandenen Zuckerlösung entfernt. Die Restzucker können in der nächsten Runde zur erneuten HMF-Synthese eingesetzt werden.

HMF dient als Basischemikalie für die Synthese des Kunststoffs PEF (Polyethylenfuranoat), eines neuartigen Hochleistungspolymers, das ähnlich wie PET (Polyethylenterephthalat) zu Flaschen, Textilfasern oder Folien verarbeitet werden kann. Im Gegensatz zu PET, das aus fossilem Erdöl erzeugt wird, ist das aus nachwachsenden Rohstoffen bzw. biologischen Abfallprodukten hergestellte PEF deutlich nachhaltiger, auch weil seine Verarbeitung weniger Energie benötigt. Zudem besitzt PEF bessere Barriere-Eigenschaften gegenüber Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasser, wodurch die Haltbarkeit verpackter Lebensmittel verbessert wird, bzw. die Verpackungen dünner und damit auch leichter sein können. Dies spart Material und Gewicht und reduziert so die Entstehung von Treibhausgasen.

Modellraffinerie an der Universität Hohenheim

Die Umsetzung von biologischen Reststoffen zu HMF ist das Spezialgebiet der Arbeitsgruppe. Da erst seit etwa zehn Jahren intensiv auf diesem Gebiet geforscht wird, gibt es bisher keine fundierten Daten zur industriellen Anwendung des Verfahrens. Um es für Landwirte oder die lebensmittel­verarbeitende Industrie etablieren zu können, entstand deshalb am Versuchsstandort Lindenhöfe der Universität Hohenheim in Eningen unter Achalm eine kleine Bioraffinerie als Anschauungsobjekt. Hier können einige Kilogramm Biomasse pro Stunde umgesetzt werden. Abhängig von Zuckerart und -gehalt des Ausgangsstoffs variieren die Verarbeitungsparameter und auch die erzeugte Menge an HMF. Ein wichtiger Punkt des Produktionskonzepts ist die Kopplung der Raffinerie an eine Biogasanlage, die die Energie für das benötigte heiße Wasser liefert.

Zurzeit sind Götz und seine Kollegen auf der Suche nach Fördermitteln bzw. Investoren für den Bau einer großen Demonstrationsanlage, mit deren Hilfe genaue Daten zur Wirtschaftlichkeit generiert werden können. Ziel ist eine voll automatisierte, einfach zu handhabende Bioraffinerie, die vor allem für Landwirte und kleinere Industriebetriebe attraktiv ist.

Vielseitige Verwendung von HMF

Ein entscheidender Faktor für die Wirtschaftlichkeit ist der Bedarf an HMF in der weiterverarbeitenden Industrie. Großes Potenzial hat die Chemikalie als Ersatz für das giftige Formaldehyd, das bei der Produktion industrieller Harze oder Lacke verwendet wird. Die Verarbeitung zu Kunststoffverpackungen eröffnet vor allem aufgrund der guten Gasbarrieren viele Anwendungsmöglichkeiten. Wegen der guten mechanischen Eigenschaften der PEF-Fasern untersucht die Arbeitsgruppe Anwendungen im Textilfaserbereich, beispielsweise für die Automobilindustrie. Auch auf dem Gebiet der Sportausrüstung (z. B. Kletterseile oder Bekleidung) sind unterschiedlichste Einsatzfelder denkbar. Die Verwertung biologischer Reststoffe nicht nur zur Energiegewinnung, sondern auch zur Produktion neuer Werkstoffe, ist somit eine nachhaltige Alternative zum Einsatz fossiler Rohstoffe, die zudem die lokale Kreislaufwirtschaft begünstigen kann.