Künstliche Photosynthese und Biologisch Abbaubarkeit: Bekämpfung der Plastikplage mit Nachhaltigkeit im Blick

CO2-Emissionen und das Vorhandensein nicht biologisch abbaubarer Kunststoffe auf der Erde sind beide Gefahren, die irreversible Schäden verursachen. Insbesondere ist Kohlendioxid, ein wärmespeicherndes Gas, dafür verantwortlich, dass sich der Planet erwärmt und letztlich zum Klimawandel führt.

Dieser Erwärmungseffekt wird durch Schätzungen der NASA unterstrichen, die zeigen, dass menschliche Aktivitäten den CO2-Gehalt der Atmosphäre um 50 % in weniger als 200 Jahren erhöht haben. Die Situation wird weiter verschärft durch nicht biologisch abbaubare Kunststoffe, die aus Materialien wie Styropor, Einweg‑Plastiktüten und Plastikwasserflaschen stammen und eine weitere ernsthafte Bedrohung darstellen, da sie das Grundwasser, die Nahrungskette kontaminieren und die Luft verschmutzen.

Um diese miteinander verknüpften Herausforderungen anzugehen, haben Forscher der Osaka Metropolitan University nun einen Durchbruch entwickelt, der beide Probleme über einen einzigen Weg löst. Sie haben eine innovative und effiziente Methode zur Herstellung von Fumarsäure entwickelt, die die CO2‑Emissionen senken und gleichzeitig Abfälle zur Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe wiederverwenden kann. Lassen Sie uns genauer untersuchen, was diese Innovation bedeutet und wie sie funktioniert.

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Nachhaltige Produktion von Fumarsäure

Fumarsäure ist ein Bestandteil biologisch abbaubarer Kunststoffe. Sie stammt traditionell aus Erdöl, Kohlendioxid und biomassebasierten Verbindungen. Nun haben die Forscher eine Lösung entwickelt, mit der Fumarsäure nachhaltig und effizient produziert werden kann. Es gab zwei Studien, die dasselbe Ziel verfolgten.

In der ersten Studie zeigte ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yutaka Amao vom Forschungszentrum für künstliche Photosynthese an der Osaka Metropolitan University (OMU) Wege zur Synthese von Fumarsäure aus Bicarbonat und biomassebasiertem Pyruvat. Die in dem Prozess verwendete Energie war erneuerbare Solarenergie.

Die Wissenschaftler erzielten zudem Erfolg bei der Herstellung von Fumarsäure mit Kohlendioxid, das als Rohstoff direkt aus der Gasphase zugeführt wurde. Das Experiment hatte jedoch eine Einschränkung: Es konnte kein erhebliches Volumen an Fumarsäure produzieren. Die Ausbeute blieb gering.

In der darauffolgenden Forschung überwanden die Wissenschaftler diese Herausforderung. Sie entwickelten einen neuen Photosensitizer und machten Fortschritte in der künstlichen Photosynthese, die die Ausbeute an Fumarsäure im Vergleich zu herkömmlichen Methoden verdoppeln konnten.

Die Wissenschaftler entwickelten ein effektives Verfahren zur Herstellung von sichtbarem Licht angetriebenem Fumarat aus gasförmigem CO2 und Pyruvat mit einem System, das Triethanolamin, kationisches wasserlösliches Zinkporphyrin, Zink‑tetrakis(4‑N,N,N‑trimethyl‑aminophenyl)porphyrin, pentamethylcyclopentadienyl‑koordinierten Rhodium(III)‑2,2′‑Bipyridyl‑Komplex, NAD+, Malatdehydrogenase (NAD+-abhängig, Oxalacetat‑Dehydrierend) und Fumarase enthält.

Die Forschung mit dem Titel „Eine effektive, sichtbares Licht angetriebene Fumaratproduktion aus gasförmigem CO2 und Pyruvat durch ein kationisches Zinkporphyrin‑basiertes photocatalytisches System mit dualen Biokatalysatoren“ wurde vom Institut für Fermentation in Osaka unterstützt.

Insgesamt hat die Forschung empirisch nachgewiesen, dass es möglich ist, einen fortschrittlichen Katalysator für künstliche Photosynthese zu entwickeln, der Kohlendioxid effizienter zur Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe nutzt.

Wenn wir jedoch weiterdenken und beurteilen, warum künstliche Photosynthese und ihr Beitrag zur nachhaltigen und effizienten Produktion biologisch abbaubarer Kunststoffe als Durchbruch gelten, wird deutlich, dass Kunststoffe ein Ärgernis darstellen und jede Anstrengung, sie nachhaltig und biologisch abbaubar zu produzieren, anerkannt und gefördert werden sollte.

Eine der gravierendsten plastikbedingten Schäden auf der Erde wird durch Mikroplastik verursacht. Die United States National Oceanic and Atmospheric Administration definiert Mikroplastik als kleine Kunststoffstücke, die weniger als fünf Millimeter lang sind und unserer Gesundheit, dem Ozean und dem aquatischen Leben schaden. Die Kategorie umfasst zudem Kunststoffe, die bewusst klein gestaltet sind. Diese sogenannten Mikroperlen werden in vielen Gesundheits‑ und Schönheitsprodukten verwendet. Mikroplastik birgt zahlreiche schädliche Auswirkungen.

Mikroplastik gelangt in unseren Körper über verschiedene Wege, darunter das Wasser, das wir trinken, die Nahrung, die wir zu uns nehmen, und die Lebensmittelbehälter, die wir verwenden – alles Wege der oralen Aufnahme von Mikroplastik. Zusätzlich atmen wir Mikroplastik über die Luft ein, und unsere Körperpflegeprodukte sowie Handyhüllen, die Mikroplastik enthalten, schaffen Kontaktmöglichkeiten.

Einmal im menschlichen Körper können diese Mikroplastikpartikel eine Reihe von Gesundheitsproblemen verursachen. Sie sind dafür bekannt, oxidativen Stress und DNA‑Schäden zu induzieren, Stoffwechselstörungen zu verursachen und Funktionsstörungen wichtiger Organe wie Leber, Darm, Gehirn und Atemwege zu bewirken. Darüber hinaus kann die Toxizität von Mikroplastik unsere Fortpflanzungs‑ und Entwicklungsfähigkeit beeinträchtigen, was die Schwere ihrer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit verdeutlicht.

Das Problem des Mikroplastiks geht über die menschliche Gesundheit hinaus, da diese Partikel auch das Meeresleben schädigen. Sie wirken toxisch auf Fische und andere aquatische Organismen, hemmen ihr Wachstum und ihre Entwicklung, erhöhen die Sterblichkeitsrate, verursachen Entzündungen, verringern die Schwimmgeschwindigkeit, reduzieren Vitalität und Körperlänge und führen zu Darmverletzungen. Diese Evidenz unterstreicht den dringenden Bedarf, die Verschmutzung unserer Umwelt durch Mikroplastik zu bekämpfen und zu stoppen.

Vor diesem Hintergrund haben jüngste Unterwasser‑Tauchuntersuchungen den dringenden Bedarf an innovativen Abfallsammellösungen hervorgehoben. Beispielsweise ergab eine bahnbrechende Untersuchung von Forschern des Desert Research Institute am Grund des Lake Tahoe ein alarmierendes Mittel von 83 Plastikstücken pro Kilometer, wobei kein einziger Abschnitt des Seebodens frei von Plastikmüll war. Zu den häufig identifizierten Gegenständen gehören Lebensmittelbehälter, Flaschen, Plastiktüten und Spielzeug, wobei die sechs häufigsten Kunststoffarten Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol, Polyester/Polyethylenterephthalat, Polyethylen, Polypropylen und Polyamid sind.

Obwohl mehrere Lösungsanbieter, die praktikable Alternativen zur Reinigung von Unterwasser‑Plastik anbieten, existieren, sind Forscher auch daran interessiert, das Potenzial einer „Nachhaltigkeitskennzahl“ zur Eindämmung der Plastikverschmutzung zu bewerten. Die Forscher des Woods Hole Oceanographic Institution entwickelten eine Nachhaltigkeitskennzahl für das ökologische Design von Kunststoffprodukten, die eine geringe Persistenz in der Umwelt aufweisen. Die Forscher glaubten, dass diese Kennzahl Umwelt- und Gesellschaftsvorteile bringen könnte.

Die Studie zeigte einen innovativen und erfinderischen Ansatz zur Bekämpfung der Plastikverschmutzung. Der Ansatz lässt sich teilweise mit den bekannten Sozial‑Impact‑Rechnungsübungen vergleichen. Es wurden Indizes für die Umweltauswirkungen von Kunststoffen sowie deren Ersatzstoffen verglichen, die zeigten, dass die Berücksichtigung der Umweltpersistenz von Kunststoff und deren effiziente Ersetzung Gewinne von mehreren hundert Millionen Dollar für ein einzelnes Konsumprodukt bedeuten könnte.

Während er die Bedeutung der Studie erklärte, sagte der Hauptautor der Studie, Bryan James, Materialwissenschaftler und Ingenieur,

“Wichtig ist zu bestimmen, wie wir funktionale, nachhaltige und harmlose Materialien, Produkte und Prozesse entwerfen können, die alle Prinzipien des grünen Materialengineerings in die zukünftige Welt, in der wir leben werden, integrieren.”

Insgesamt hält die Herstellung von ausreichend biologisch abbaubaren Kunststoffen und die Identifizierung geeigneter Alternativen die wissenschaftliche und technologische Gemeinschaft beschäftigt. Es gibt zahlreiche Unternehmen, große und kleine, die aktiv in diesem Bereich tätig sind.

#1. Mitsubishi Chemical Group

Die Mitsubishi Chemical Group ist seit einiger Zeit ein aktiver Akteur in diesem Bereich. Als Mitglied der Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), die im Oktober 2012 gegründet wurde, nahm die Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) an einem künstlichen Photosynthese‑Projekt teil, das von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) durchgeführt wurde. Seitdem treibt Mitsubishi die Weiterentwicklung voran, um mehr Effizienz und Optimierung des Prozesses zu erreichen.

In der Forschung, die wir als Einstieg für unsere Diskussion hatten, ging es um die nachhaltige Produktion von Fumarsäure. Die Bemühungen der Mitsubishi Chemical Group richten sich jedoch auf die Herstellung von Olefinen.

In diesem Prozess spielt ein synthetischer Katalysator eine entscheidende Rolle, indem er die Reaktion zwischen getrenntem Wasserstoff und Kohlendioxid ermöglicht. Mitsubishis innovative Arbeit bei der Entwicklung eines geeigneten Katalysators und der Verfeinerung der notwendigen Prozesstechnologien hat die Ausbeute erheblich gesteigert und die Olefinproduktion effizienter gemacht.

Infolgedessen ist Olefin zu einem effektiv hergestellten Rohstoff für die Kunststoffherstellung geworden, was Mitsubishis Beitrag zur Weiterentwicklung nachhaltiger Fertigungspraktiken in der chemischen Industrie demonstriert.

Das von NEDO geleitete Green Innovation Project wählte im Februar 2022 die kommerzielle Entwicklung von Mitsubishis chemischen Rohstoffen auf Basis künstlicher Photosynthese für eine Förderung aus.

In weiteren Entwicklungsphasen wird der Prozess Rohstoffe aus Erdöl umwandeln und die Entwicklung von Kunststoffproduktionstechnologien unterstützen, die Kohlendioxid nutzen, indem petrochemische Fertigungstechnologien, Katalysatorentwicklungstechnologien und weitere, in Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungseinrichtungen entwickelte Technologien eingesetzt werden.

Die Mitsubishi Corporation veröffentlichte einen integrierten Bericht für das Geschäftsjahr, das am 31. März 2023 endete. Das Unternehmen erzielte einen Umsatz von über 159 Milliarden US‑$.

#2. Evonik and Siemens

Im sogenannten technischen Photosynthese‑Verfahren nutzen zwei Unternehmen, Evonik und Siemens, erneuerbare Energie und Bakterien, um Kohlendioxid in Spezialchemikalien umzuwandeln. Die Unternehmen führen diese Aufgabe im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts namens Rheticus durch. In der ersten Phase der Forschung wurden Chemikalien wie Butanol und Hexanol produziert, die beide Ausgangsstoffe für Spezialkunststoffe und Nahrungsergänzungsmittel sind.

Laut Dr. Thomas Haas, verantwortlich für das Projekt in Evoniks strategischer Forschungsabteilung Creavis:

“Mit der Rheticus‑Plattform wollen wir zeigen, dass künstliche Photosynthese machbar ist.”

Um diese Behauptung in die Realität umzusetzen, tragen sowohl Evonik als auch Siemens gemäß ihrer Kernkompetenzen bei. Siemens beispielsweise stärkt den Prozess mit Elektrolysetechnologie, die im ersten Schritt zur Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Wasserstoff und Kohlenmonoxid mittels Strom verwendet wird.

Evoniks Beiträge zielen darauf ab, den Fermentationsprozess zu stärken, bei dem Gase, die Kohlenmonoxid enthalten, durch Stoffwechselprozesse, die von speziellen Mikroorganismen unterstützt werden, in nützliche Produkte umgewandelt werden.

Während er das Potenzial zur Unterstützung der Kunststoff‑ und Spezialchemie‑Industrie erläuterte, sagte Dr. Haas:

“Seine modulare Struktur und Flexibilität hinsichtlich Standort, Rohstoffquellen und hergestellten Produkten machen die neue Plattform besonders attraktiv für die Spezialchemie‑Industrie. Wir sind zuversichtlich, dass andere Unternehmen die Plattform nutzen und sie mit ihren eigenen Modulen integrieren werden, um ihre chemischen Produkte herzustellen.”

Laut den zuletzt verfügbaren Jahresfinanzen verzeichnete die Evonik Group im Jahr 2022 einen Umsatz von fast 18,5 Milliarden Euro. Davon entfielen jeweils 23 % auf Spezialadditive sowie Ernährung & Pflege. Der Umsatz aus Smart Materials machte 26 % des Gesamtumsatzes aus, während Performance Materials 20 % beitrugen und Technologie‑ und Infrastrukturprodukte sowie -dienstleistungen 8 % ausmachten.

Im Geschäftsjahr 2023 verzeichnete Siemens einen Jahresumsatz von fast 22 Millionen Euro, was einen deutlichen Anstieg gegenüber den 19,5 Milliarden Euro im Geschäftsjahr 2022 darstellt.

Kunststoffe und unser Weg zur Nachhaltigkeit

Durch gemeinsame Anstrengungen müssen wir sicherstellen, dass wir die richtigen Schritte in Richtung einer Zukunft mit Biokunststoffen gehen, die entweder biologisch abbaubare Kunststoffe oder biobasierte Materialien sind und Energie aus erneuerbaren Ressourcen beziehen. Diese Biokunststoffe sind in Bezug auf Haltbarkeit und Gebrauchstauglichkeit nicht weniger als herkömmliche Kunststoffe. Sie können mit herkömmlichen Kunststoffmaschinen verarbeitet und in traditionellen Lagern aufbewahrt werden, wodurch die Notwendigkeit von Ressourcenredundanz effektiv entfällt.

Das Scheitern, eine praktikable Alternative zur Plastikabfallplage zu finden, würde für zahlreiche Länder weltweit gravierende Gefahren bedeuten. Südostasien ist beispielsweise bereits zu einem „Hotspot“ der Plastikverschmutzung geworden, eine Situation, die durch rasche Urbanisierung und eine wachsende Mittelschicht verschärft wird. Zusätzlich verschärft durch mangelnde effiziente Infrastruktur, hat dies zu einer verringerten Effizienz bei recycelbaren Kunststoffen geführt.

Dieses Problem der Fehlbewirtschaftung von Abfällen wurde während der COVID‑Zeit weiter verschärft durch den Konsum von Masken, Desinfektionsflaschen und Online‑Lieferverpackungen. Laut Daten der Weltbank geht in Ländern wie Thailand, den Philippinen und Malaysia mehr als 75 % des materiellen Werts von recycelbarem Plastik verloren – das entspricht etwa 6 Milliarden US‑Dollar pro Jahr, wenn Einwegplastik entsorgt statt recycelt wird.

Angesichts einer solchen Fehlbewirtschaftung von Abfällen und unzureichender Infrastruktur erweisen sich Biokunststoffe als die effektivste Alternative, die von solchen Missständen unabhängig ist. Darüber hinaus unterstützen Biokunststoffe unsere Nachhaltigkeitsbemühungen, da sie weniger auf konventionelle fossile Brennstoffe angewiesen sind. Die Verwendung biologisch abbaubarer Kunststoffe bedeutet zudem verbesserte End‑of‑Life‑Szenarien für Entsorgung und Recycling.

Dennoch ist der Anteil von Biokunststoffen immer noch deutlich geringer, als er für eine vollständig nachhaltige Zukunft sein sollte. Laut einer Schätzung liegt der Anteil von Biokunststoffen bei weniger als einem Prozent von jährlich weltweit 367 Millionen Tonnen produziertem Kunststoff. Es wird jedoch erwartet, dass er in den kommenden Jahren in zahlreichen Anwendungsbereichen – darunter Verpackungen, Konsumgüter, Bau und Konstruktion, Automobil‑ und Transportwesen, Textilien, Agrar‑ und Gartenbau, Elektro‑ und Elektronik, Beschichtungen und Klebstoffe und mehr – deutlich wachsen wird.

Spitzentechnologien, die durch Forschung gestützt werden, wie künstliche Photosynthese und die nachhaltige Produktion von Kunststoffkomponenten, angetrieben von erneuerbaren Energiequellen, werden einen bedeutenden Einfluss darauf haben, wie wir mit Plastik umgehen. Diese Prozesse bedeuten nicht nur umweltfreundlichere Kunststoffe, sondern auch ein Produktionsökosystem, das nachhaltig und nahezu emissionsfrei ist.