Herstellung synthetischer Kunststoffe aus Algenöl gelungen

Dank ihrer wertvollen Inhaltsstoffe und einfachen Zucht sind Algen vielversprechende Kandidaten für eine nachhaltige Rohstoffgewinnung. Das zeigt auch die Arbeit des Konstanzer Chemikers Prof. Dr. Stefan Mecking, der gemeinsam mit dem Pflanzenphysiologen Prof. Dr. Peter Kroth ein neues Verfahren zur Umwandlung von Algenöl zu höherwertigen chemischen Bausteinen entwickelt hat. Diese können unter anderem für die Erzeugung von Kunststoffen eingesetzt werden und eröffnen neue Möglichkeiten zur Nutzung von Algen als Rohstoffquelle, die über den reinen Ersatz von Erdöl hinausgeht.

Algen werden als Hoffnungsträger für eine nachhaltige Wirtschaft betrachtet und spielen in praktisch allen Bereichen der Bioökonomie eine wichtige Rolle. Ob zur Energiegewinnung, für Nahrungsergänzungsmittel oder als Quelle für neue medizinische Wirkstoffe - sie sind vielfältig einsetzbar und relativ einfach zu kultivieren. "Algen benötigen wie auch Pflanzen zum Wachstum nur Wasser und Nährsalze, ihre Energie beziehen sie aus dem Licht", erläutert Peter Kroth, Professor für Pflanzenökophysiologie an der Universität Konstanz. In seiner Forschung widmet er sich den Algen und ihrer biotechnologischen Anwendung.

Die Vorteile der Algen für die Bioökonomie sind leicht erkennbar: Sie benötigen vergleichsweise wenig Fläche, können schnell wachsen und konkurrieren nicht mit den konventionellen Agrarflächen und damit der Nahrungsmittelproduktion. Die von den Algen produzierten Öle haben außerdem einen höheren Anteil an vielfach ungesättigten Fettsäuren als konventionelle Pflanzenöle. Das macht sie auch zu attraktiven Kandidaten für eine nachhaltige Rohstoffversorgung - ein Thema, mit dem sich der Konstanzer Chemiker Prof. Dr. Stefan Mecking in seiner Forschung beschäftigt.

Die Idee dabei ist, die Algen nicht als reinen Erdöl-Ersatz, sondern als potenzielle Rohstoffquelle für die Chemie einzusetzen. "Wir wollen mittels neuer katalytischer Verfahren die einzigartige molekulare Struktur nachwachsender Rohstoffe erhalten und so höherwertige Bausteine direkt erzeugen - anstatt den Umweg über eine intermediäre Umwandlung in erdölartige Bausteine zu gehen", erläutert er das Prinzip. Genau das ist Nachwuchswissenschaftlern seiner Arbeitsgruppe nun gemeinsam mit Biologen um Kroth gelungen. Sie konnten mit Hilfe eines neuen Verfahrens Algenöl in chemische Rohstoffe umwandeln, mit denen sich beispielsweise Kunststoffe erzeugen lassen.

Eine "Traumreaktion" erzeugt chemische Bausteine

p>Den Konstanzer Chemikern gelang die Erzeugung von weiterverwertbaren chemischen Bausteinen mit der sogenannten isomerisierenden Alkoxycarbonylierung. Dabei werde die in Algenöl enthaltenen ungesättigten Fettsäuren in Gegenwart von Kohlenmonoxid und Methanol sowie einem Katalysator zu geradlinigen Diestern umgewandelt. "Das gelingt durch eine sogenannte 'dream reaction', bei der eine in der Mitte eines Algenöl-Moleküls befindliche reaktive Stelle katalytisch zu einer funktionellen Gruppe umgesetzt wird - welche aber mit großer Genauigkeit wie gewünscht an einer ganz anderen Stelle des Moleküls entsteht", beschreibt Mecking das Verfahren. Aus einer funktionellen Gruppe in der Mitte wird dabei eine Ester-Gruppe am Ende des Moleküls, sodass das entstehende Molekül zwei funktionelle Gruppen an den Kettenenden trägt. "Solche Moleküle können leicht miteinander verknüpft werden um Polymere zu erzeugen, weshalb sie attraktive Bausteine für die Erzeugung von Kunststoffen sind", erklärt Mecking.

Für die Pilotexperimente haben die Forscher die einzellige Kieselalge Phaeodactylum tricornutum verwendet, deren Öl sich durch einen hohen Anteil an vielfach ungesättigten Fettsäuren auszeichnet. Sie kann außerdem genetisch modifiziert werden, um den Lipidanteil weiter zu erhöhen. "Prinzipiell lassen sich die Synthesen auch mit Ölen aus anderen Algen durchführen. Entscheidend für die Effizienz der Reaktion ist aber die Ausbeute an Lipiden, die sich aus den Algen erzielen lassen, sowie die Zusammensetzung aus unterschiedlichen Fettsäuren", erläutert Kroth.

Nach dem ersten Erfolg des neuen Verfahrens widmen sich die Forscher der Optimierung der Extraktion. Beispielsweise erwies sich eine Ultraschall-Behandlung des Öls als vorteilhaft, um die Ausbeute zu erhöhen. "Die optimale Gewinnung des Algenöls ist Gegenstand unserer laufenden Arbeiten", erläutert Mecking. Neben einer größeren Ausbeute ist dabei auch eine Verbindung der Extraktion mit der weiteren katalytischen Reaktion geplant.

Nachwachsend und abbaubar - Alternativen zu Erdöl

In ersten Experimenten hat die Arbeitsgruppe Mecking bereits Kunststoffe aus den synthetischen Diester-Molekülen aufgebaut. Diese könnten zukünftig als Bausteine für mechanisch belastbare, aber abbaubare Materialien genutzt werden. "Aber auch darüber hinausgehende Materialanwendungen für Bereiche wie oberflächenaktive Substanzen oder Schmiermittel sind möglich", erläutert Mecking. Die Möglichkeiten zur Gewinnung funktionaler chemischer Nutzstoffe aus den Algen sind mit den hier erzeugten Diestern auch noch lange nicht erschöpft. "Generell können langkettige Moleküle angestrebt werden, welche mit verschiedenen, auch vielfachen, funktionellen Gruppen versehen sind", blickt Mecking in die Zukunft.

Trotz dieses Erfolgs ist nach Einschätzung von Mecking zukünftig aber nicht mit einer einzelnen, ähnlich dominanten Rohstoffquelle wie gegenwärtig Erdöl zu rechnen. "Es wird vermutlich verschiedene, sich ergänzende Lösungen geben, die das Erdöl ablösen", prognostiziert er. Dafür sind beispielsweise Produkte aus Algen interessant, die sich durch besondere Eigenschaften auszeichnen, wie eben zum Beispiel Öle mit einem hohen Anteil vielfach ungesättigter Fettsäuren. Vor allem als Energielieferant können Algen aber fossile Brennstoffe in absehbarer Zeit nicht ersetzen. "Die Kultur und Ölgewinnung aus Algen ist trotz der Fotosynthese bislang noch nicht energieeffizient. Das heißt, zur Gewinnung eines Liters Öl wird mehr Energie benötigt, als in dem Liter Öl steckt", erklärt Kroth. Durch neue Methoden würde sich dieses Hindernis aber in Zukunft sicher überwinden lassen, vermutet er.