Landwirtschaft

Grüne Rohstoffe auf dem Vormarsch

Theoretisch können fast alle Erdölderivate aus Pflanzen im Großanbau erzeugt werden. Können Landwirte angesichts der globalen Erderwärmung und der Notwendigkeit, die Abhängigkeit von den fossilen Brennstoffen zu reduzieren, auch zu Erzeugern industrieller Rohstoffe werden? Das europäisch-amerikanische Konsortium Epobio analysiert die Aussichten und die Grenzen dieser möglichen Umstellung.

Rapsfelder in Lothringen. Rapsfelder in Lothringen.
© Michel Adiran/INRA
Emulsion aus Lipidtröpfchen mit einer Tensid-Proteinhülle, komplett biologisch abbaubar (hergestellt aus Rapstrester). Emulsion aus Lipidtröpfchen mit einer Tensid-Proteinhülle, komplett biologisch abbaubar (hergestellt aus Rapstrester).
© Alain Riaublanc/INRA
Schnitt durch eine Kiefernnadel, bei der die pflanzliche Zellwand sichtbar ist. Schnitt durch eine Kiefernnadel, bei der die pflanzliche Zellwand sichtbar ist.
© CNAP (UK)
Samen von Melonen und Ringelblumen – Pflanzen, die für die Herstellung von Pflanzenölen infrage kommen. Samen von Melonen und Ringelblumen – Pflanzen, die für die Herstellung von Pflanzenölen infrage kommen. Samen von Melonen und Ringelblumen – Pflanzen, die für die Herstellung von Pflanzenölen infrage kommen.
© CNAP (UK)

Seit 1993 fördert die gemeinsame Agrar - politik die Entwicklung nachwachsender Rohstoffe. Die Bezeichnung mag neu sein, die Praxis ist es nicht. Immer schon haben Landwirte Pflanzen angebaut, die beispielsweise Fasern für Bekleidung oder Industrie lieferten, wie etwa Leinen oder Hanf. Die Ausstattung der Ford-Automobile in den 30er Jahren wurde aus Soja-Kunststoff gefertigt. Daran erinnert sich kaum noch jemand. Die „Jahre des Erdöls“, von denen man allmählich in der Vergangenheitsform sprechen darf, brachten den Boom auf diesem Gebiet. Derzeit sind 97 % der chemischen Produkte Erdölderivate, 1950 waren es nur 4%. Es ist also ein enormer Forschungs- und Entwicklungsaufwand erforderlich, damit es die grüne Chemie aus landwirtschaftlichen Produkten mit ihrer schwarzen Konkurrentin aufnehmen kann.

Aber in welche Richtung soll gearbeitet werden? Welche Produkte sind heute ausgereift? Mit welchen technologischen Engpässen haben es die Ingenieure und Forscher heute zu tun? Und unter welchen Bedingungen können diese Innovationen wettbewerbsfähig werden? Auf diese Fragen will Epobio, ein Konsortium aus zwölf europäischen und US-amerikanischen Labors, eine Antwort geben.

Eine europäisch-amerikanische Taskforce

Die Idee für dieses mit Mitteln des 6. Rahmen - programms finanzierten Projekts stammt aus der EU/US-Taskforce für Biotechnologien (1). Auf beiden Seiten des Atlantiks zeigte sich dasselbe Anliegen, nämlich die Entwicklung landwirtschaftlicher Produkte im Bereich der nachwachsenden Rohstoffe voranzutreiben, und damit sowohl für den Verbraucher als auch für die Umwelt Vorteile zu erzielen. Dianna Bowles, Professorin am Centre for Novel Agricultural Products an der Universität York (GB) und Koordinatorin von Epobio, drückt es so aus: „Diese Forschungsarbeiten verdienen eine vorrangige Behandlung. Unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und der Klimawandel stellen eine besondere Bedrohung für unsere Gesellschaft dar. Doch gibt es zahlreiche Pflanzen, die Erdölprodukte ersetzen können.“

Hauptgegenstand dieser Forschungsarbeiten sind Produkte für die Industrie, die aber noch eine wissenschaftliche Herausforderung darstellen und einer fundierten Einschätzung bezüglich der wirtschaftlichen Machbarkeit und etwaiger Risiken bedürfen. Für drei Themengruppen aus diesem Bereich soll bis 2020 eine Prospektion versucht werden: für Biopolymere, vor allem zur Produktion von Kunststoff, für Pflanzenöle und schließlich für Produkte, die aus der Verarbeitung von Pflanzenzellwänden hervorgehen.

Natürliche Polymere

Alle Kunststoffe, so unterschiedlich sie erscheinen mögen, sind Polymere, d. h. langkettige Moleküle, die durch die Wiederholung desselben chemischen Musters gebildet werden. Kann man für diesen Zweck die zahlreichen pflanzlichen Polymere verwenden? Bis zum heutigen Tag ist Stärke das einzige lebensfähige und rentable Beispiel, auch wenn Kunststoffe aus Stärke noch sehr feuchtigkeitsempfindlich sind. Die Verwendung anderer pflanzlicher Polymere ist noch wenig erforscht und oft bleibt die Qualität hinter der von Produkten aus der Petrochemie zurück. Zudem bedarf der ökologische Nutzen der Biokunststoffe einer aufmerksamen Überprüfung.

Auf den ersten Blick scheinen sie besonders umweltfreundlich zu sein, denn sie sind zu 100% biologisch abbaubar. Aber bleibt die Ökobilanz auch dann noch zufriedenstellend, wenn man die gesamte Produktionskette betrachtet einschließlich des eingesetzten Düngers (der wiederum Treibhausgase freisetzt), der Pestizide und des Transports? Sollte nicht eher das Recycling der existierenden Kunststoffe gefördert werden? Sollte das Erdöl künftig nicht lieber ausschließlich für die Herstellung von Kunststoffen eingesetzt werden, da dieser Bereich weniger als ein Zwanzigstel der Weltproduktion in Anspruch nimmt und die erzeugten Produkte volle Zufriedenheit gewährleisten?

Die Antwort hängt von den Forschungs - ergebnissen über die Verbesserung des Wirkungsgrads von Biopolymeren ab. Zu den verfolgten Ansätzen gehören unter anderem die Manipulation des Pflanzenstoffwechsels zur Erhöhung des Polymergehalts, die Verbesserung der Extraktionsverfahren und die Untersuchung neuer Biopolymerquellen, wie beispielsweise Inulin aus Zichorien, oder die Proteinpolymere.

Was versprechen Pflanzenöle?

Dort, wo die Forschungsarbeit zur industriellen Anwendung von Polymeren noch stockt, zeigen sich bei der Verwendung von Pflanzenölen bereits einige gute Erfolge. Wie der an Epobio beteiligte schwedische Forscher, Anders Carlsson, zurecht erinnert, „verfügen Pflanzenöle über eine ähnliche chemische Struktur wie die Kohlenwasserstoffe des Erdöls“. Schon heute werden 15 – 20% der Pflanzenöl - produktion außerhalb des Nahrungs mittel - sektors eingesetzt. Es geht also nur darum, bereits existierende Industrieverfahren an neue Rohstoffe anzupassen.

Beispiele: Der aus Raps hergestellte Biodiesel kostet 78 US-Dollar pro Barrel. Das ist ein Preis, der den Biobrennstoff fast schon konkurrenzfähig gegenüber dem Erdöl macht. Über ein Drittel der US-amerikanischen Tageszeitungen wird mit Druckertinten auf Sojabasis gedruckt. Oder Rizinusöl: Es ist als einer der besten Industrieschmierstoffe bekannt. Für den Absatz von Produkten aus Ölpflanzen ergeben sich also immer mehr und unterschiedliche Möglichkeiten. Um diese vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten noch zu fördern und beispielsweise Lösungsmittel, Farben oder Oberflächenbeläge zu erzeugen, müssen die Möglichkeiten der Synthese von Fettsäuren in den verschiedenen Pflanzen intensiv erforscht werden, da sich jede für eine bestimmte Art der Anwendung besonders eignet. Kann Gentransfer dazu beitragen, die Qualität oder Menge der von einer Pflanze produzierten Fettsäuren zu beeinflussen? Die Fachleute bei Epobio beharren darauf, dass es wichtig ist, ein Projekt mit Durchschlagskraft durchzuführen, das die Machbarkeit eines solchen Ansatzes des Gentransfers unter Beweis stellen kann, denn auch die traditionelle Landwirtschaft steht vor großen Aufgaben. Die europäische Landwirtschaft zeichnet sich durch die Besonderheiten ihrer Ölpflanzen produktion aus. Spitzenreiter in der weltweiten Pflanzenöl - produktion sind Soja-, Palm- und Kokosöl. Diese Pflanzen sind in der Europäischen Union praktisch unbekannt, wo das Spitzentrio Raps, Sonnenblume und Olive heißt. Es geht also darum, neue Non-Food-Absatz mög - lichkeiten für die in Europa angebauten Ölsorten zu erschließen, die agronomische Forschung bei vielversprechenden, aber heute vernachlässigten Ölpflanzen (Leinen, Rizinus usw.) zu verstärken oder auch die landwirtschaftliche Nutzung von neuen Ölpflanzen, wie Wolfsmilchgewächse oder Ringelblume, ins Auge zu fassen.

Biomasse: die pflanzliche Herausforderung

Die erwartete intensive Entwicklung der Anwendungsmöglichkeiten von Pflanzenölen könnte zudem die oben erwähnte, noch stockende Entwicklung der Biopolymere beschleunigen. Denn bei der Gewinnung von Öl aus Ölpflanzen bleibt ein großer Anteil der Biomasse zurück, die aus Protein- und Zuckerpolymeren besteht und deren Nutzung sich lohnen könnte.

Diese umfassende Sichtweise, bei der alle Bestandteile der Pflanze genutzt werden, wird mit dem Konzept der Bioraffinerie auf die Spitze getrieben, in der, ausgehend von pflanzlichen Zellwänden, Dutzende chemischer Produkte erzeugt werden sollen. Das ist eine umfangreiche Aufgabe, denn diese widerstandsfähige Membran, welche die Pflanzenzelle umschließt, stellt 85% der von der Land - wirtschaft erzeugten Biomasse dar. „Die pflanzliche Zellwand hat für die Pflanze eine Stütz- und Schutzfunktion und ist daher gegen die Beschädigung durch Mikroorganismen resistent. Daher sind energieaufwändige chemische Verfahren oder eine Enzym - behandlung erforderlich, um die drei Polymerarten abzubauen, aus denen die Zellwand besteht: Zellulose, das auf der Erde am häufigsten vorkommende organische Molekül Hemizellulose und Lignin. Das unterstreicht der am Projekt teilnehmende deutsche Forscher Ralf Möller. Bei dieser chemischen oder enzymatischen Aufspaltung sollen die Polymere in kleine Moleküle zerlegt werden, die später nach den Vorstellungen der Chemiker wieder zusammengesetzt werden: Dabei erhält man Biokraftstoffe aus der in der Zellulose enthaltenen Glukose, Harze und Lösungsmittel aus der in der Hemizellulose enthaltenen Xylose oder Emulgatoren und Klebstoffe aus den Phenolen des Lignin.

Bevor sich dieses große Projekt einer grünen Chemie verwirklichen lässt, ist jedoch noch Grundlagenarbeit zum Verständnis der Struktur der Pflanzenzellwand und vor allem zur Klärung der Möglichkeiten ihrer aus wirtschaftlicher Sicht ertragreichen Nutzung erforderlich. Die Bioraffinerien, die vielleicht eines Tages die petrochemischen Raffinerien der Erdölterminals ersetzen werden, werden heute in den Labors der Grundlagenforschung für die Pflanzen - biologie vorbereitet.

  1. Siehe FTE Info, Sonderausgabe „Forschung und Zusammenarbeit“, Juli 2005.
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Guayule, die andere Kautschukpflanze

University of Arizona & USDA-ARS. © University of Arizona & USDA-ARS.

Der Hevea-Baum ist bekannt, aber wer kennt Guayule? Dieser in trockenen Regionen vorkommende Strauch könnte eines Tages auch im Süden Europas intensiv angebaut werden. Das ist jedenfalls die Schlussfolgerung eines Expertenberichts von Epobio, der im November 2006 veröffentlicht wurde und der die Qualitäten des Guayule für die Gewinnung von Elastomer unterstreicht. Dieser Bericht baut auf zwei Feststellungen auf. Zum einen ist die Europäische Union hochgradig abhängig von den Importen von Hevea- Kautschuk aus drei Ländern Südostasiens mit gigantischen, extrem schädlingsgefährdeten Monokulturen. Zum anderen sind immer mehr Menschen (1 bis 6% der Europäer) allergisch gegen Latex. Daher entspricht die Suche nach neuen Quellen für Gummi ebenso den strategischen Interessen der Europäischen Union wie den Bedürfnissen der Verbraucher.

Die Experten von Epobio haben verschiedene Elastomerpflanzen untersucht, wie eine russische Löwenzahnart (Taraxacum koksaghys) und die Goldrute (Solidago virgaurea), und haben sich schließlich darauf geeinigt, dass Guayule die meisten positiven Eigenschaften aufweist: Anpassung an das halbtrockene Klima der Regionen im Süden Europas, Erfahrungen im Anbau aus den USA und Mexiko, geringe Anforderungen hinsichtlich der Nährstoff zufuhr für eine zufriedenstellende Ernte in der Größenordnung von einer Tonne Kautschuk pro Hektar. Was nach Ansicht der Experten noch zu tun bleibt, ist eine genetische Verbesserung der Pflanze, die bislang von den Züchtern verschmäht wurde, sowie die Entwicklung wirtschaftlicherer Möglichkeiten der Gewinnung des Rohstoffs.


Die Zukunft der Krambe

Crambe abyssinica Crambe abyssinica © Dr. Win Phippen, Western Illinois University

Nach Ansicht der Ingenieure gehören Wachsester zu den besten industriellen Schmiermitteln, vor allem in der Automobilindustrie. Sie haben allerdings auch einen gewaltigen Nachteil: Die einzigen bekannten Quellen sind Walrat (ein Organ im Kopf des Pottwals) und Jojoba, eine tropische Pflanze. Aber Walfang ist verboten und eine Tonne Jojobaöl kostet die astronomische Summe von 5 000 Euro.

Damit es die Wachsester mit den derzeit gebräuchlichen, aus Erdöl gewonnenen Mineralölen aufnehmen können, schlagen die Wissenschaftler von Epobio einen gewagten Ansatz vor: die genetische Veränderung der Krambe (Crambe abyssinica), einer in Europa selten angebauten Ölpflanze. Diese Wahl basiert auf drei Vorteilen, welche die Pflanze gegenüber ihren potenziellen Konkurrenten Raps und Sonnenblume auszeichnet. Zunächst die landwirtschaftlichen Vorteile: Die Krambe benötigt nur wenig Wasser und Dünger, sie eignet sich nicht zum Verzehr und das ist für Experten eine wichtige Voraussetzung, damit die europäische Öffentlichkeit Genmanipulationen an dieser Pflanze akzeptiert. Der letzte Vorteil betrifft die Tatsache, dass eine Verbreitung der eingeschleusten Gene auf Wildpflanzen unmöglich ist, und damit das oft kritisierte Risiko einer genetischen „Verschmutzung“ umgangen wird.

Berechnungen von Wirtschaftswissenschaftlern haben gezeigt, dass sich die Erzeugung von Wachsestern aus Crambe abyssinica wirtschaftlich lohnen würde – vor allem, wenn die nach der Extraktion verbleibende Biomasse für die Erzeugung von Strom oder Wärme verwendet werden könnte. Jetzt sind die Molekularbiologen und die Spezialisten für industrielle Eigentumsrechte an der Reihe. Erstere, weil die Pflanzen mit den für die Biosynthese von Wachsestern notwendigen Genen ausgestattet werden müssen, und letztere, weil die erforderlichen Verfahren durch zahlreiche Patente geschützt sind.



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