Leipziger Forschungsteam entwickelt Verfahren für biobasiertes Nylon
Bislang basierte die Produktion von Nylon auf erdölbasierten Ausgangsstoffen. Diese ist umweltschädlich, weil fossile Ressourcen genutzt, viel Energie benötigt und bei der Produktion klimaschädliches Lachgas ausgestoßen werden. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und der Universität Leipzig entwickelte nun im Labor ein Verfahren, mit dem aus Phenol durch eine elektrochemische Synthese und den Einsatz von Mikroorganismen Adipinsäure, einer von zwei Grundstoffen von Nylon, produziert werden kann. Zudem gelang es zu zeigen, dass Phenol durch Abfallstoffe aus der Holzindustrie ersetzt werden kann. Damit könnte biobasiertes Nylon hergestellt werden. Publiziert wurde die Forschungsarbeit im Fachjournal Green Chemistry.
In T‑Shirts, Strümpfen, Hemden, Seilen oder gar als Bestandteil von Fallschirmen und Autoreifen – überall dort kommen Polyamide als synthetische Kunstfasern zum Einsatz, für die Ende der 1930er Jahre der Name Nylon geschaffen wurde. Nylon‑6 und Nylon‑6,6 sind zwei Polyamide, die rund 95 Prozent des globalen Nylon-Marktes ausmachen und aus fossilen Rohstoffen produziert werden. Doch dieser petrochemische Prozess ist umweltschädlich – zum einen, weil dabei weltweit rund zehn Prozent des klimaschädlichen Distickstoffmonoxids (Lachgas) ausgestoßen werden, zum anderen, weil er viel Energie benötigt. „Unser Ziel ist, die gesamte Produktionskette von Nylon grün zu machen. Das ist möglich, wenn wir auf biobasierte Abfälle als Ausgangsstoffe zugreifen und den Syntheseprozess nachhaltig gestalten“, sagt Prof. Dr. Falk Harnisch, Leiter der Arbeitsgruppe Elektrobiotechnologie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).
Wie das gelingen kann, haben die Leipziger Forschenden um Falk Harnisch und Dr. Rohan Karande (Universität Leipzig/Forschungs- und Transferzentrum für bioaktive Materie b‑ACTmatter) in einem Beitrag für die Fachzeitschrift Green Chemistry beschrieben. So besteht Nylon zu rund 50 Prozent aus Adipinsäure, die bisher industriell aus Erdöl gewonnen wird. In einem ersten Schritt wird dabei Phenol zu Cyclohexanol umgewandelt, das dann zur Adipinsäure umgesetzt wird. Für diesen energieintensiven Prozess sind hohe Temperaturen, ein hoher Gasdruck und organische Lösungsmittel notwendig, zudem werden viel Lachgas und Kohlenstoffdioxid freigesetzt. Die Forschenden haben nun ein Verfahren entwickelt, in dem sie Phenol mithilfe eines elektrochemischen Prozesses in Cyclohexanol umwandeln können. „Die dahinterstehende chemische Umwandlung ist dieselbe wie bei den etablierten Verfahren: Die elektrochemische Synthese ersetzt jedoch das Wasserstoffgas durch elektrische Energie, findet in wässriger Lösung statt und braucht dafür lediglich Umgebungsdruck und Raumtemperatur“, erläutert der Elektrobiotechnologe Falk Harnisch. Damit diese Reaktion möglichst schnell und effizient läuft, braucht es einen geeigneten Katalysator. Dieser soll die Ausbeute an Elektronen, die für die Reaktion notwendig sind, und die Effizienz, wie viel Cyclohexanol letztlich aus Phenol entsteht, maximieren. In Laborexperimenten zeigten sich die besten Ausbeuten mit einem auf Kohlenstoff basierten Rhodium-Katalysator mit fast 70 Prozent an Elektronen und knapp mehr als 70 Prozent Cyclohexanol. „Die relativ kurze Reaktionszeit, die effiziente Ausbeute und die effektive Energienutzung sowie Synergien mit dem biologischen System machen dieses Verfahren für eine kombinierte Produktion von Adipinsäure attraktiv“, urteilt Dr. Micjel Chávez Morejón, UFZ-Chemiker und Erstautor der Studie. Wie in einem zweiten Schritt das Bakterium Pseudomonas taiwanensis Cyclohexanol in Adipinsäure umwandelt, hatten bereits in einer früheren Forschungsarbeit zwei andere UFZ-Arbeitsgruppen um Prof. Dr. Katja Bühler und Prof. Dr. Bruno Bühler herausgefunden. „Bislang war es nicht gelungen, die Reaktion von Phenol zu Cyclohexanol mikrobiell ablaufen zu lassen. Diese Lücke haben wir durch die elektrochemische Reaktion geschlossen“, bilanziert Dr. Rohan Karande, der diese Arbeiten in Kooperation mit dem UFZ jetzt an der Universität Leipzig fortsetzt.
Und noch eine weitere Lücke einer grünen Nylon-Produktion konnten die Leipziger Forscher:innen schließen, indem sie perspektivisch eine umweltfreundliche Alternative für das aus fossilen Ausgangsstoffen produzierte Phenol entwickelten. Dafür setzten sie Monomere wie beispielsweise Syringol, Catechol oder Guaiacol ein, die allesamt als Abbauprodukt von Lignin – einem Abfallprodukt der Holzwirtschaft – anfallen. „Wir haben für diese Modellsubstanzen zeigen können, dass wir gemeinsam den Weg bis zur Adipinsäure gehen können“, sagt Falk Harnisch. Und Rohan Karande ergänzt: „Weltweit werden rund 4,5 Millionen Tonnen Adipinsäure hergestellt. Wenn wir dafür Holzreststoffe erschließen, hätte das einen entscheidenden Einfluss auf den Weltmarkt.“
Bis das ligninbasierte Nylon marktreif wird, ist es allerdings noch ein weiter Weg. So haben die Wissenschaftler:innen für den 22-stündigen Gesamtprozess, also von den Monomeren aus Ligninresten mittels elektrochemischer und mikrobieller Reaktionsschritte hin zur Adipinsäure, bislang eine Ausbeute von 57 Prozent erzielt. „Das ist eine sehr gute Ausbeute“, sagt Micjel Chávez Morejón. Noch basieren die Ergebnisse auf Laborversuchen im Milliliter-Maßstab. Deswegen sollen in den nächsten beiden Jahren die Voraussetzungen geschaffen werden, um das Verfahren in den Litermaßstab zu bringen. Für diesen Technologietransfer ist nicht nur ein besseres Verständnis des gesamten Prozesses notwendig, sondern unter anderem auch der Einsatz von echten statt wie bislang modellhaften Ligninmischungen und die Verbesserung der elektrochemischen Reaktoren. Falk Harnisch und Rohan Karande sind sich einig: „Das Verfahren für das ligninhaltige Nylon zeigt exemplarisch das große Potenzial elektrochemisch-mikrobieller Prozesse, da durch die intelligente Art der Kombination verschiedener Komponenten eine optimale Prozesskette aufgebaut werden kann.“