Im Mittelpunkt von Bartas Forschung steht Lignin, ein komplexes Biomaterial, das Pflanzen und Bäumen Stabilität verleiht. | © Sabine Hoffmann
Unsere Wirtschaft ist in weiten Teilen noch immer von fossilen Rohstoffen abhängig – von Alltagsprodukten bis hin zu Hightech-Anwendungen. Eine nachhaltige Alternative bietet die Kreislaufwirtschaft, deren Potenzial jedoch bislang nur begrenzt ausgeschöpft wird. Einen neuen Zugang zeigt die Arbeit von Katalin Barta, Chemikerin an der Universität Graz, die aus Holzresten Bausteine für die Pharmaindustrie gewinnt. Für ihre Forschung wurde sie kürzlich mit dem Zero Emissions Award ausgezeichnet.
Chemie neu denken – auf molekularer Ebene
„Bioraffinerie, also die chemische Verarbeitung von Biomasse, ist noch immer zu teuer“, sagt Barta. Um wettbewerbsfähig und nachhaltig zu sein, brauche es grundlegend neue Konzepte. „Wir müssen jeden Schritt im Kreislauf von Grund auf neu denken: von der Gewinnung der Biomasse über die Produktion bis zum Recycling.“ Dieser Ansatz beginnt für sie auf der Ebene der Moleküle.
Grüne Chemie bedeutet dabei, energieeffizient zu arbeiten, nachhaltige Rohstoffe zu nutzen und giftige Ausgangsmaterialien sowie Abfälle zu vermeiden. „Und jedes Material, das wir entwickeln, soll am Ende ebenfalls energieeffizient, gesundheitlich unbedenklich und – im Falle von Polymeren – auch einfach wieder recycelbar sein.“ Entscheidend sei ein ganzheitlicher Blick auf den gesamten Prozess. „Es ist also ein holistischer Ansatz.“
Lignin als Schlüsselrohstoff
Im Mittelpunkt von Bartas Forschung steht Lignin, ein komplexes Biomaterial, das Pflanzen und Bäumen Stabilität verleiht. In der Holz- und Papierindustrie fällt es in großen Mengen als Nebenprodukt an. „Wenn wir mit Lignin arbeiten wollen, ist die Steiermark der perfekte Ort“, sagt Barta, die seit 2019 an der Universität Graz den Bereich nachhaltige Katalyse leitet.
Im vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt „WoodValue: Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz“ erforscht ihr Team, wie sich aus Lignin bioaktive Moleküle und potenzielle Arzneimittel gewinnen lassen.
Die Komplexität nutzen statt abbauen
Lignin gilt in der Chemie als besonders widerstandsfähig. „Es schützt das Holz vor dem Zerfall, ist also besonders widerstandsfähig“, erklärt Barta. Gleichzeitig ist es die größte natürliche Quelle für Aromaten – ringförmige, stabile Moleküle, die zentrale Bausteine der organischen Chemie sind und in zahlreichen Produkten von Kunststoffen bis zu Pharmazeutika stecken.
Bislang stammen Aromaten fast ausschließlich aus Erdöl. Deren Weiterverarbeitung erfordert viele energieintensive Syntheseschritte und erzeugt große Mengen an Abfall. Bartas Ansatz setzt hier an. „Unsere Prämisse lautet: Wenn wir von einem natürlichen Ausgangsmaterial wie Lignin oder daraus gewonnenen Aromaten ausgehen, bestehen die schon von vornherein aus mehreren Legosteinen“, erklärt sie. Dieses Prinzip bezeichnet sie als „die Komplexität annehmen“. „Dieses Vorgehen erlaubt uns, in deutlich weniger Schritten zu einem nützlichen Produkt zu gelangen.“
Weniger Schritte, weniger Abfall
Der Ansatz zeigt konkrete Erfolge. Bartas Team konnte etwa Dopamin aus Lignin herstellen. Zudem entwickelten die Forschenden neue Synthese- und Katalysemethoden, mit denen sich komplexe Moleküle wie Benzoaxine in nur drei Schritten aus Holzspänen oder Hackschnitzeln gewinnen lassen. Aus Erdöl wären dafür 13 Schritte notwendig.
Die eingesparten Schritte verbessern nicht nur die Energiebilanz, sondern senken auch den sogenannten E-Faktor, der angibt, wie viel Abfall pro Einheit Endprodukt entsteht. In der Pharmaindustrie kann dieser Wert bis zu 100 betragen. „Diese Art Abfall ist sehr teuer. Und auch sonst hat die Branche großes Interesse an effizienteren Prozessen.“
Auszeichnung für klimarelevante Forschung
Der Zero Emissions Award gilt als größter privat finanzierter Forschungspreis Österreichs für klimarelevante Projekte. Über die alpha+ Stiftung des FWF stehen jährlich 900.000 Euro zur Verfügung, um mit Grundlagenforschung evidenzbasiert zur Energiewende beizutragen. Bartas Arbeiten zeigen, wie chemische Innovationen aus nachwachsenden Rohstoffen neue Wege für eine nachhaltigere Industrie eröffnen können.