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Weiße Biotechnologie für nachhaltige Kunststoffe

Chemische Reaktionen – seit jeher die Kernkompetenz von Covestro. Nun baut das Unternehmen sein Know-how in einem verwandten Zukunftsfeld aus: der weißen oder industriellen Biotechnologie. Es will zunehmend Mikroorganismen und Enzyme nutzen, um die industrielle Produktion von Kunststoffen noch umweltverträglicher und effizienter zu machen und die Kreislaufwirtschaft voranzutreiben.

Grün, weiß, rot – da kommt vielen vermutlich spontan die italienische Flagge in den Sinn. Weniger bekannt dürfte sein, dass die drei Farben auch in einer zukunftsweisenden Schlüsseltechnologie eine Rolle spielen: beim Einsatz von Mikroorganismen und Enzymen, die auf Fortschritte und Innovationen in unterschiedlichen Bereichen des modernen Lebens zielen. Während die grüne Biotechnologie in der Landwirtschaft hilft, um zum Beispiel Pflanzen widerstandsfähiger gegen den Klimawandel zu machen, bringt die rote Biotechnologie die Medizin voran – etwa um Impfstoffe zu produzieren, wie man sie zum Schutz gegen Corona nutzt.

Das dritte Feld ist die weiße oder industrielle Biotechnologie, die zunehmend auch in der Chemie- und Kunststoffbranche zum Tragen kommt. Mit Mikroorganismen sowie Enzymen, die Bestandteile solcher Kleinstlebewesen sind, lassen sich zum Beispiel komplexe chemische Reaktionen deutlich vereinfachen oder bisher nicht verfügbare neue Chemikalien herstellen. Zudem finden die Verfahren häufig unter milderen Bedingungen statt als mit konventioneller Technik: Temperaturen und Drücke sind niedriger, man benötigt weniger potenziell schädliche organische Lösemittel, außerdem können unerwünschte Nebenprodukte vermieden oder reduziert werden.

Sterile working in the laboratory: Anja Späth applies microorganisms on a culture medium plate

Spezielle Forschungsgruppe gegründet

Um das Potenzial der weißen Biotechnologie für die Kunststoffproduktion zu heben, hat Covestro 2018 ein eigenes Kompetenzzentrum gegründet. Nun ist es um eine spezielle Forschungseinheit erweitert worden, die Nachwuchsgruppe Enzymkatalyse, kurz NEnzy. Sie wird für fünf Jahre mit insgesamt 2,5 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Insbesondere erwartet Covestro davon weitere Impulse für die Kreislaufwirtschaft, auf die sich das Unternehmen komplett ausrichtet.

„Wir nehmen uns die Natur zum Vorbild, die sensationelle Prozesse hervorgebracht hat und seit Millionen von Jahren die Kreislaufführung praktiziert“, sagt Dr. Gernot Jäger, der das Kompetenzzentrum von Covestro leitet. „Mithilfe von Enzymen und Mikroorganismen können wir alternative Rohstoffe effizient nutzen und somit fossile Ressourcen ersetzen. Gleichzeitig lassen sich unerwünschte Nebenprodukte vermeiden oder zumindest deutlich reduzieren.“

Dr. Gernot Jäger (links) ist Leiter des Biotechnologie-Kompetenzzentrums, Dr. Lukas Reisky leitet die Nachwuchsgruppe Enzymkatalyse.

In enger Kooperation mit der RWTH Aachen arbeiten die Forschenden daran, Altprodukte und Plastikabfall mit Hilfe von Enzymen zu recyceln. Zudem wollen sie Enzyme zur Aufbereitung von Prozesswässern in der Kunststoffproduktion nutzen. Ein dritter Schwerpunkt ist die gezielte und vollständige Zersetzung von menschengemachtem Kunststoff in der Natur.

„Wir nehmen uns die Natur zum Vorbild und nutzen ihre Werkzeuge in der Kunststoffproduktion“

Dr. Gernot Jäger

Leiter des Biotechnologie-Kompetenzzentrums von Covestro

Den Biotech-Experten steht am Stammsitz von Covestro in Leverkusen ein frisch modernisiertes Labor zur Verfügung. Hier können biotechnologische Prozesse in einem breiten Spektrum an Größenordnungen besonders realistisch dargestellt werden – Volumen von einem Milliliter bis zu bald 100 Litern sind möglich.

Im Großen wie im Kleinen: Dr. Lena Schaffert bereitet einen Versuch im Milliliter-Maßstab vor.

Mikroorganismen für Chemikalien aus Pflanzen

Ferner treibt Covestro ein spezielles Forschungsprojekt weiter voran: die Herstellung der wichtigen Grundchemikalie Anilin aus pflanzlicher Biomasse anstelle von Erdöl; ebenfalls ein Beitrag zur Kreislaufwirtschaft. Dazu hat das Unternehmen zusammen mit Partnern ein Verfahren entwickelt, in dem ein maßgeschneiderter Mikroorganismus zum Einsatz kommt. Mit dessen Hilfe wird ein aus Pflanzen gewonnener industrieller Zucker in ein Zwischenprodukt umgewandelt. Dieses wird dann in einem weiteren Schritt zu Anilin veredelt.

Davon wurden inzwischen mehrere Tonnen zu Testzwecken produziert, und Covestro ist es außerdem gelungen, aus pflanzlichem Anilin einen Dämmschaum als Muster zu fertigen. Nun arbeitet das Unternehmen daran, das Verfahren im größeren technischen Maßstab weiter zu erproben. Das Projekt wird dabei mit öffentlichen Mitteln aus dem Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft gefördert.

Mit Hilfe von Mikroorganismen: Dämmschaum-Muster aus komplett pflanzenbasiertem Anilin.

Derzeit werden weltweit rund sechs Millionen Tonnen Anilin produziert, wobei das Volumen im Schnitt um etwa drei bis fünf Prozent pro Jahr wächst. Covestro zählt mit einer Produktionskapazität von mehr als einer Million Tonnen zu den führenden Herstellern in der chemischen Industrie. Das Unternehmen stellt damit die Substanz MDI her, die vor allem als Komponente für die Produktion von Polyurethan-Hartschaum verwendet wird. Das Material dient weltweit zur Dämmung von Gebäuden  und Kühlgeräten  und leistet damit einen bedeutsamen Beitrag zur Einsparung von Energie.

Ohne Erdöl: In dem neuen Verfahren zur Anilin-Produktion wird Biomasse als Rohstoff genutzt.

Eine andere Kunststoff-Komponente lässt sich aus Pflanzen und mithilfe von weißer Biotechnologie bereits in ähnlichen Maßstäben herstellen: das Vorprodukt HDMA, das zur Herstellung von Lacken und Klebstoffen dient. Dies ist Covestro und dem in den USA ansässigen Biotech-Unternehmen Genomatica im Rahmen einer Partnerschaft geglückt.

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