Industrie & Technik

Prof.Dr.

Im September 2016 warf der VCW-Workshop „Industry 4.0“ einen Blick in die Welt von morgen. Dabei drängte sich mir die Frage auf, wie die Chemie in 100 Jahren aussehen wird. Wagen wir einen Blick zurück aus der Zukunft.Wir schreiben das Jahr 2116 n. Chr. Die „Chemie“ gibt es schon lange nicht mehr. Obwohl sich Verbände und engagierte Individuen bemühten, ist es nicht gelungen, das seit Ende des 20. Jahrhunderts vorherrschende Negativimage der Chemie in der Bevölkerung zu ändern. Stattdessen bilden wir nun Experten für molekulare und stoffliche Transformationsprozesse aus – seien diese Prozesse nun chemischer oder biologischer Natur. Die Grenze zwischen Chemie und Biologie ist ohnehin in den letzten Dekaden verschwunden.Auch die chemische Industrie hat sich gewandelt. Großkonzerne mit riesigen Produktionsanlagen gibt es nicht mehr. Warum auch? Schließlich haben wir nach dem weltweiten Verbot des Abbaus nichtregenerativer Rohstoffe keinen Zugang mehr zu Erdöl. Im Rückblick erscheint es ohnehin unbegreiflich, wie unsere Vorfahren während der nun vergangenen Epoche des Petroleozäns (Ölzeit) eine ganze Industrie auf der Basis eines endlichen Rohstoffs aufbauen konnten – noch dazu verbunden mit der Illusion stetigen Wachstums.Heute fertigen wir in kleinen, flexiblen Multi-Purpose-Anlagen aus nachwachsenden Rohstoffen mit hocheffizienten Prozessen die Produkte, die wir in der Postwachstumsökonomie tatsächlich noch benötigen. Biologische Abbaubarkeit und Einbindung in die geschlossene Kreislaufwirtschaft dieser Produkte sind selbstverständlich. Auch hier verwundert es, dass nachhaltige Chemie erst durch politische Vorgaben in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts konsequent umgesetzt wurde.Bemerkenswert ist zudem der Strukturwandel der Pharmaindustrie. Unsere Vorfahren waren im Jahr 2016 noch davon überzeugt, dass Biopharmaka und Gentechnik eines Tages alle Krankheiten heilen könnten. Dass Krankheiten gar nicht erst entstehen oder bereits im Keim erstickt werden, hätte man sich damals nicht vorstellen können. Aber Unternehmen, die genau das tun, haben die alte Pharmaindustrie am Ende des 21. Jahrhunderts vollständig ersetzt. Heute erweitern die Errungenschaften der digitalen Biologie – etwa die mit externen Datennetzen kommunizierenden Nanoanalytic-Bots in meiner Blutbahn – unsere biologischen Grenzen.Aber auch wenn die Chemie heute nicht mehr offen in Erscheinung tritt, ist ihr Wirken nach wie vor spürbar und sichtbar. Ich bin froh darüber, dass es einigen Visionären vor 100 Jahren gelungen ist, die Rolle der Chemie der Zukunft zu erahnen. Sie stellten die Weichen, um weiterhin junge Menschen für die molekularen Wissenschaften zu begeistern – und die Kompetenzen zu vermitteln, die für die Arbeitswelt erforderlich waren.Unfug? Vielleicht. Wissen kann ich es nicht. Niemand von uns. Aber die Zukunft der Chemie ist heute schon mehr als nur Chemie. Unser Denken darf nicht aufhören, wenn das Molekül fertig ist.<a href="mailto:daubenfeld@hs-fresenius.de">daubenfeld@hs-fresenius.de</a>Thorsten Daubenfeld ist Professor für physikalische Chemie und Studiendekan Wirtschaftschemie an der Hochschule Fresenius. Er engagiert sich im Vorstand der Vereinigung für Chemie und Wirtschaft (VCW). In dieser Kolumne nimmt er uns mit auf die Reise in die Welt der Wirtschaftschemie. Foto: JohnMJohn<div><img src="https://media.graphcms.com/TLuBQTJqSdWIqI5BTlmr">

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Meldung

Die Ecke des Wirtschaftschemikers: Chemie in 100 Jahren ‐ ein Blick zurück

Im September 2016 warf der VCW-Workshop „Industry 4.0“ einen Blick in die Welt von morgen. Dabei drängte sich mir die Frage auf, wie die Chemie in 100 Jahren aussehen wird. Wagen wir einen Blick zurück aus der Zukunft.Wir schreiben das Jahr 2116 n. Chr. Die „Chemie“ gibt es schon lange nicht mehr...

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Erdöl als Rohstoff für Kunststoffe führt zu ökonomischen Problemen wie Ressourcenverbrauch und -verteilung sowie zu ökologischen Problemen. Aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber natürlichen Zersetzungsprozessen reichern sich Kunststoffe in der Umwelt an. Um Ressourcenverbrauch und Umweltverschmutzung zu vermeiden,<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>ist die Abhängigkeit von der Ressource Erdöl zu reduzieren,<list-item>ist Recycling zum weltweiten Standard zu machen und</list-item><list-item>sind umwelt- und ressourcenschonende Herstellungsverfahren für Kunststoffe zu entwickeln.</list-item><h2>Biokunststoffe</h2>Der Begriff „Biokunststoff“ ist nicht einheitlich definiert. Gängige Definitionen umfassen biologisch abbaubare Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen und biologisch nicht abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Um die Probleme des fossilen Ressourcenverbrauchs und des Müllanfalls weitgehend auszuschließen, definierten Pittmann und Steinmetz:1) „Biokunststoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen und/oder biologisch abbaubaren Reststoffen wie Abwasser, Klärschlamm oder Bioabfall hergestellt und sind durch in der Natur vorkommende Mikroorganismen vollständig abbaubar.“Biopolymere lassen sich chemisch erzeugen wie Stärkepolymere, mit biologischer Fermentation und chemischer Synthese wie Polymilchsäure oder durch rein biologische Synthese wie Polyhydroxyalkanoate (PHAs):PHAs gehören zur Gruppe der Polyester, können von mehr als 300 Mikroorganismen hergestellt werden2,3) und wurden in vielen Bakterien im Belebtschlamm kommunaler Kläranlagen nachgewiesen – sind also abbaubar.4) Die Bakterien nutzen PAHs dabei überwiegend als Energie- und Kohlenstoffspeicher.5) Je nach Länge der Seitenkette (R) werden die PHAs in kurz- (short chain length, SCL) oder mittelkettige (medium chain length, MCL) Polymere unterteilt.6) Die meisten Materialeigenschaften der kurzkettigen PHAs ähneln denen von Polypropylen (PP), sodass das größte Substitutionspotenzial der PHAs im Ersatz von PP liegt.7,8)<figure><img src="https://media.graphcms.com/OZTqLiH4SJyt7KI3Hchq"><figcaption><label>Abb. 1: </label>PHA-Herstellung inklusive Potenzialberechnung.9)</figcaption></figure>
<h2>Bakterien produzieren</h2>Die PHA-Produktion in kommunalen Kläranlagen ist bei unterschiedlichen Prozessbedingungen möglich.10,11) Ein zweistufiges Herstellungsverfahren erzeugt dafür zunächst kurzkettige Fettsäuren (volatile fatty acids, VFA). Diese polymerisieren dann nach Anreicherung bestimmter Bakterien in einer Klärschlammbiomischgemeinschaft zu intrazellularem PHA (Abbildung unten).Vorversuche zur Rohstoffauswahl ergaben Primärschlamm als am besten geeigneten Stoffstrom einer kommunalen Kläranlage, um VFA zu produzieren.10) Die optimierten Prozessparameter Temperatur, pH-Wert, Aufenthaltszeit, Entnahmemenge und Reaktorbetriebsweise lieferten eine VFA-Raumproduktion von 1913 mg·L–1∙d–1 bei einer VFA-Konzentration von 7653 mg·L–1. Diese VFAs dienten dazu, PHA-produzierende Mikroorganismen aus dem Belebtschlamm einer kommunalen Kläranlage zu selektieren. Dazu wurden alle im Schlamm enthaltenen Bakterien durch die zyklische Zugabe von Substrat Phasen der Substratverfügbarkeit und des -mangels ausgesetzt.PHA-produzierende Bakterien nutzen die intrazellulär gespeicherten Polymere während des Substratmangels als Kohlenstoff- und Energiequelle und erlangen so einen Selektionsvorteil.12) Die derart angereicherte Biomasse lässt sich nutzen, um PHAs zu produzieren.11) Mit den optimierten Prozessparametern Substratkonzentration, Temperatur, pH-Wert und Zyklusdauer ergaben sich dabei PHA-Gehalte bis zu 28,4 Gewichtsprozent bezogen auf die Zelltrockenmasse.Die Produktion läuft im Bypass zur Abwasserreinigung, ohne die Reinigungsleistung der Kläranlage zu beeinflussen. Allerdings steht diese Biopolymerproduktion teilweise in Konkurrenz zur Biogasproduktion, die ebenfalls von Primärschlamm ausgeht. Bis zu 39 Prozent des im Primärschlamm enthaltenen organisch gebundenen Kohlenstoffs wandeln sich in Fettsäuren für die PHA-Produktion um und fehlen damit bei der Biogaserzeugung durch anaerobe Fäulnis.<h2>Potenzialanalyse</h2>Welches Potenzial zur Biopolymerproduktion kommunale Kläranlagen in Deutschland haben, zeigt die Analyse einiger Parameter (Tabelle). Die in Deutschland anfallende Menge an Primärschlamm ergibt sich daraus, dass zirka 92 Prozent der Einwohner, die im Einzugsgebiet einer Kläranlage leben (Einwohnerwert, EW) an Kläranlagen der Größenklasse IV und V angeschlossen sind. Diese Kläranlagengrößen gewinnen Primärschlamm. Aus dieser Primärschlammmenge ergibt sich die erforderliche Reaktorgröße.Mit den während der praktischen Versuche ermittelten Daten folgt eine mögliche Menge an PHA aus kommunalen Kläranlagen in Deutschland von 157 000 Tonnen pro Jahr. Nach der Definition für Biokunststoffe1) entspricht dies etwa 20 Prozent der im Jahr 2015 weltweit produzierten Biopolymere.Eine Schätzung mit Daten der Mitgliedstaaten der Europäischen Union führt zu einer theoretisch möglichen PHA-Produktion in kommunalen Kläranlagen der EU von zirka 880 000 Tonnen pro Jahr.15) Dies sind 116 Prozent der im Jahr 2015 weltweit produzierten Biopolymere.<table-wrap>

<label>Table 1</label><h2>Eingangsdaten der Potenzialanalyse.</h2><img src="https://media.graphcms.com/HH7659POQeCpTODcVMk4">

</table-wrap><h2>Fazit</h2>Die Biopolymerproduktion aus biologisch abbaubaren Reststoffen in kommunalen Kläranlagen könnte einen Teil der aus pflanzlichen Rohstoffen hergestellten Biopolymere ersetzen. Ob und wie die Methode im Dauerbetrieb funktioniert, ist noch nicht geklärt.<h2>Quergelesen</h2>Biokunststoffe entstehen aus nachwachsenden Rohstoffen und/oder Reststoffen und sind durch in der Natur vorkommende Mikroorganismen vollständig abbaubar.Polyhydroxyalkanoate lassen sich durch biologische Synthese erzeugen.In kommunalen Kläranlagen in Deutschland ließen sich mit passenden Reaktoren zurzeit etwa 20 Prozent der im Jahr 2015 weltweit produzierten Biopolymere herstellen.Timo Pittmann ist promovierter Umweltschutztechnik-Ingenieur. Er leitet den Bereich Abwasser Deutschland beim Schweizer Unternehmen TBF + Partner in Böblingen. Es plant und realisiert Ingenieurbauwerke in der Wasserwirtschaft sowie der Müll- und Klärschlammverbrennung. <a href="mailto:pit@tbf.ch">pit@tbf.ch</a><div><img src="https://media.graphcms.com/8YkFRhi8QaSxxSJvBer4">

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<ul><h2>Literatur</h2><li>
1 T. Pittmann, H. Steinmetz, Wasser und Abfall 05/13, 37–41.</li><li>
2 S. Y. Lee, Trends Biotechnol. 1996, 14, 431–438.</li><li>
3 J. M. Dias, P. C. Lemos, L. S. Serafim et al., Macromol. Biosci. 2006, 6, 885–906.</li><li>
4 G. G. Q. Chen, Plastic from Bacteria, Natural Functions and Applications, Springer 2010.</li><li>
5 S. Chanpratreep, J. Biosci. Bioeng. 2010, 110, 621–632.</li><li>
6 H. J. Endres, A. Siebert-Raths, Technische Biopolymere, Hanser 2009.</li><li>
7 G.-Q. Chen, Q. Wu, Biomaterials 2005, 26, 6565–6578.</li><li>
8 O. Wolf, M. Crank, M. Panel et al.,Techno-economic Feasibility of Large-scale Production of Bio-based Polymers in Europe, European Commission – Joint Research Centre EUR 22103 EN, 2005.</li><li>
9 D. L. Kaplan, Biopolymers from Renewable Resources, Springer 1998.</li><li>
10 T. Pittmann, H. Steinmetz, Bioresour. Technol. 2013a, 148C, 270–276.</li><li>
11 T. Pittmann, H. Steinmetz, Bioresour. Technol. 2014, 167, 297–302.</li><li>
12 T. Pittmann, Herstellung von Biokunststoffen aus Stoffströmen einer kommunalen Kläranlage, Dissertation, Stuttgarter Bericht zur Siedlungswasserwirtschaft, Bd. 224, DIV Deutscher Industrieverlag, München.</li><li>
13 Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen, DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Wasser und Abfall, 2011.</li><li>
14 Arbeitsblatt ATV-DVWK-A131, ATV-DVWK Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, Hennef 2000.</li><li>
15 T. Pittmann, H. Steinmetz, Bioresour. Technol. 2016, 214, 9–15.</li></ul>

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