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„Unser Plastik könnte irgendwann aus Zuckerrübensaft entstehen“

Abfälle aus der Zuckerrübenindustrie sind eine wertvolle Ressource - zum Beispiel für Kunststoffe.

Im Interview erklärt MIX-UP-Wissenschaftler Nick Wierckx, wie aus dem Saft Kunststoffe entstehen, wo sie uns im Alltag begegnen – und warum sie die Kunststoffindustrie revolutionieren könnten.

  • Lieber Nick, als ich vor einigen Wochen an einem Zuckerrübenfeld vorbeigekommen bin und gesehen habe, wie die Rüben beschaffen sind, habe ich mich gefragt: Was passiert wohl mit all den Reststoffen? Zugegeben: Dass daraus mal Kunststoff wird, habe ich nicht erwartet. Genau das aber erforscht Du. Klingt abgefahren, ist aber echt?

So ist es. Bei der Frage, wie man eine möglichst nachhaltige Produktion von Plastik gestalten kann, muss man auch auf den ersten Blick ungewöhnliche Möglichkeiten in Betracht ziehen – etwa durch die Nutzung landwirtschaftlicher „Abfälle“ wie Zuckerrübensaft. Im Zentrum steht die Frage: Können wir erdölbasierte Rohstoffe durch nachwachsende Rohstoffe ersetzen? Und können wir aus nachwachsenden Rohstoffen vergleichbaren oder besseren Kunststoff produzieren?

  • Und Zuckerrüben, die vor allem für die Lebensmittelindustrie genutzt werden, sind da eine Lösung?

Es gibt eine Reihe natürlicher Rohstoffe, die in Frage kommen – auch Kartoffel- oder Brauereiabfälle. Bei Zuckerrüben ist der Vorteil, dass es so viele gibt und dementsprechend auch viele Nebenprodukte bzw. Restströme entstehen. Diese pflanzliche Biomasse lässt sich in Itaconsäure umsetzen, aus denen wir Polymere gewinnen. Diese Polymere haben vielfältige Eigenschaften; sie können zum Beispiel in Textilien zum Einsatz kommen, oder in biologisch abbaubare medizinische Polymere. Hier können wir auch gut wieder Kenntnisse aus der MIX-UP-Forschung nutzen, deren Enzyme zum Beispiel beim Upcycling von Fischernetzen interessant werden können.

  • Worum handelt es sich bei Itaconsäure genau?

Tatsächlich ist Itaconsäure eine der großen Erfolge der Biotechindustrie. Sie wirdschon seit den 50er-Jahren biologisch hergestellt, und bis heute gibt es keinen adäquaten, erdölbasierte „Alternative“. Das liegt daran – ohne zu sehr in chemische Details gehen zu wollen – dass das Molekül zwei Carbonsäuren und eine Doppelbindung hat, wodurch es sich auf zwei Arten polymerisieren lässt. Das verwenden wir dann in verschiedenen Kontexten. Zum Beispiel lässt sich auch sehr harter Kunststoff daraus gewinnen, der für Zahnfüllungen genutzt wird.

  • So neu ist Itaconsäure auf dem Gebiet der Biokunststoffe also gar nicht.

Das stimmt, aber es gibt noch viel Optimierungspotenzial – daran forsche ich. Denn das klassische Verfahren in der Industrie arbeitet für die Gewinnung der Säure mit einem sogenannten Fadenpilz, der für den Menschen gefährlich sein kann. Wir forschen nun daran, Itaconsäure mit der Hefe Ustilago zu gewinnen, die für den Menschen ungefährlich ist und mancherorts sogar als Delikatesse gilt. Diesen Hefestamm haben wir so lange genetisch modifiziert, bis er effizient genug war, den Fadenpilz zu ersetzen und sogar darüber hinauszugehen. Im Forschungszentrum Jülich arbeiten wir nun daran, das Ganze weiter zu optimieren.

  • Du hast einmal erwähnt, dass dies eine „Breakthrough Technology“ werden könnte. Was macht eure Herangehensweise so revolutionär?

Der industriell etablierte Fadenpilz ist zwar sehr effizient in der Umsetzung von Zucker zu Itaconsäure, aber er lässt sich nicht einfach kultivieren. Wir verwenden eine Hefe, die einzelzellig wächst, was die Kultivierung im Labor und auch in sehr großen Maßstäben sehr vereinfacht. Aktuell kostet ein Kilogramm Itaconsäure etwa zwei Euro, mit unserem effizienteren Ansatz lässt er sich mit der Zeit womöglich auf weniger als einen Euro senken. Für die industrielle Nutzung macht das einen riesigen Unterschied, erst dann fängt man an erdölbasierte Rohstoffe in großem Stil zu ersetzen. Dann werden pro Jahr nicht mehr nur 80.000 Tonnen pro Jahr hergestellt, sondern 800.000 Tonnen.

Kann das weg oder ist das – wertvoller – Abfall? Aus Zuckerrübenabfällen, wie hier auf einem Feld im SOnnenuntergang, lässt sich nachhaltiger Kunststoff gewinnen.

  • Schauen wir uns euren Prozess einmal etwas näher an. Wie genau funktioniert die Optimierung der Hefe, um sie später zur Gewinnung der Itaconsäure zu nutzen?

Hauptsächlich mit Gentechnologie. Zunächst haben wir zusammen mit Professor und MIX-UP-Projektleiter Lars Blank, die Itaconsäure und die Hefe grundlegend untersucht. Da gab’s im Zusammenspiel vorher noch kein Wissen. Nun, und das Wissen haben wir dann angewandt für die Optimierung. Wir exprimieren Gene, die für den Stoffwechsel bzw. die Umwandlung von Zucker zu Itaconsäure entscheidend sind. Andere Gene, die unbrauchbare Nebenprodukte produzieren, haben wir hingegen „ausgeschaltet“. Die Hefe produziert quasi einen Blumenstrauß an Chemikalien, die alle für sich allein interessant sind – aber bitte nicht alle gemeinsam. Letztlich haben wir noch die Morphologie, also das „Verhalten“ der Hefe unter Stress modifiziert. Normalerweise würde er in solchen Situationen anfangen filamentös zu wachsen. Auch das haben wir per Genmodifizierung verhindert.

  • Und wo könnte ich diesen Biokunststoff später einmal finden?

Itaconsäure als Polymerbaustein ist vielseitig, und die Polymere sind dementsprechend komplex. Sie können deshalb sehr breit angewandt werden. Das beginnt wie eingangs erwähnt bei Textilien, geht über Fischernetze, Zahnfüllungen und Babywindeln schließlich zu weiteren Medikamenten und Medizinprodukten, die im menschlichen Körper eingesetzt werden und sich nach einer Zeit selbst zersetzen.

  • Nun gibt’s bei der Gewinnung von Zuckerrübensaft auch Kritiker, die den Einsatz von Pestiziden und Dünger kritisieren oder anmerken, dass diese Bioabfälle“ gar keine Abfälle sind, weil sie etwa beim Tierfutter industriell verwendet werden. Spielt das für dich als Wissenschaftler eine Rolle?

Solche Kritik ist berechtigt, aber man muss es immer mit der Alternative abwägen – erdölbasierte Polymerbausteine. Man muss allerdings auch unterscheiden zwischen „Grundlagenwissenschaft“ und „Anwendungswissenschaft“. In Ersterer möchte man zunächst nur die biologischen Prozesse verstehen, um daraus Schlüsse zu ziehen, die zu dem Zeitpunkt noch gar nicht absehbar sind. Bei der Anwendungswissenschaft, und die spielt bei uns natürlich auch eine Rolle, geht es auch um die Frage, wie es sich hinterher wirtschaftlich Nutzen lässt – zum Beispiel in Form einer Ausgründung. Spätestens da müssen wir uns auch als Wissenschaftler unserer Verantwortung bewusst sein und die ethische Dimension berücksichtigen. Für uns ist der potenzielle Nutzen aber so immens, dass wir der Untersuchung weiter nachgehen – ohne die Gefahren wie Pestizide und Dünger außer Acht zu lassen. Auch daran wird natürlich parallel geforscht.

  • Und wann wird der Biokunststoff auf dem Markt sein? Wann also werde ich meine Klamotten aus Itaconsäure kaufen können?

Das ist nicht nur eine Frage des wissenschaftlichen Fortschritts, sondern auch eine ökonomische. Die Technologie wird in fünf bis zehn Jahren reif für die industrielle Nutzung sein. Es bleibt aber abzuwarten, wie sich der Erdölpreis entwickelt, wie die Welt mit dem eingangs erwähnten Fadenpilz umgeht. Auch wenn wir jetzt schon die Entwicklung der Itaconsäure in der Katalyse hochskalieren, ist sie nur ein Schritt in diesem Prozess neben vielen weiteren unbekannteren Variablen.

  • Lieber Nick, vielen Dank für das Interview!