Zeitung Heute : Bakterien als Blaupause für Industrieanlagen

Erdöl wird knapp, die chemische Industrie sucht nach Ersatz. Katalysatoren spielen dabei eine entscheidende Rolle

Heiko Schwarzburger

Not macht erfinderisch: Weil Erdöl immer knapper und teurer wird, suchen Wissenschaftler nach Wegen, den begehrten Rohstoff zu ersetzen. Erdöl ist die chemische Grundlage für Benzin und Diesel, für Arzneimittel, Kosmetika und andere Produkte. „Eine zentrale Rolle spielt die aus dem Erdöl gewonnene Chemikalie Ethylen, aus der Polymere für Verpackungsmittel, Folien, Isolierstoffe hergestellt werden. Aber auch zur Produktion von Waschmitteln, Reifen und Shampoos ist dieser Rohstoff nötig“, erläutert Reinhard Schomäcker, Experte für technische Chemie und Katalyse an der TU Berlin. „Wir erforschen zum Beispiel, ob und wie sich Methan aus Erdgas als Grundstoff für die chemische Industrie nutzen lässt. Die Vorräte an Erdgas reichen einige Jahrzehnte länger als das Erdöl“, sagt Schömacker. „Es geht um eine Übergangslösung, um die Rohstoffbasis der chemischen Industrie abzusichern.“

Methan ist ein kleines, einfaches Molekül, bei dem sich vier Wasserstoffatome um ein Kohlenstoffatom gruppieren. Es macht einen erheblichen Anteil des Erdgases aus, der je nach Lagerstätte variiert. Bisher wurde Methan lediglich als Wärmespender verwendet, sprich: verbrannt. „Nur wenig Methan aus Erdgas wird heute als Synthesegas chemisch zu Ammoniak und Methanol veredelt“, berichtet Schomäcker. „Unser Ziel ist es, die Methanmoleküle mit möglichst geringem Energieaufwand zu größeren Kohlenwasserstoffen zu verketten, beispielsweise zu Ethylen.“ Was sich einfach anhört, birgt erhebliche Probleme.

Bisher wird das Gas Ethylen in Anlagen namens „Steamcracker“ aus einer leichten Fraktion des Erdöls gewonnen. Aus rund zwei Tonnen dieser Fraktion entsteht eine Tonne Ethylen und weitere Vorprodukte der Chemie-Industrie. Dabei kommt Wasserdampf zum Einsatz, der auf 800 Grad Celsius überhitzt wird. Für diesen Energie verschlingenden Prozess gibt es bislang keine Alternative. Weil Energie immer teurer wird, explodieren die Kosten für Ethylen. Rund 100 Millionen Tonnen werden jedes Jahr weltweit davon benötigt.

Methan als Ausgangsstoff ist störrisch. Um zwei Methanmoleküle zu einem Ethylenmolekül zu verkuppeln, muss man Wasserstoff abspalten. Aber die Wasserstoffatome sitzen sehr fest am Kohlenstoff, man braucht hohe Temperaturen, um die Abspaltung einzuleiten. Bringt man zusätzlich Sauerstoff ein, wird der abgespaltene Wasserstoff sofort zu Wasser verbrannt, Fachleute nennen das „oxidative Kupplung von Methan“. Bei dieser Reaktion bilden sich zwar Ethan und Ethylen, allerdings verbrennt auch das Ethylen leicht zu Kohlendioxid und Wasser. Vier Tonnen Methan ergeben mit heute verfügbaren Katalysatoren etwa eine Tonne Ethylen – eine magere Ausbeute. „Interessant wäre eine Ausbeute von mindestens 50 Prozent“, sagt Schomäcker. „Wir müssen die Prozesstemperaturen senken, denn dieser hohe Energieeinsatz ist nicht wirtschaftlich.“ Entscheidend für die Reaktion ist ein Katalysator wie Magnesiumoxid mit eingeschleusten Lithiumatomen.

Denn will man Menschen oder Moleküle zwangsweise verkuppeln, kommt man ohne Heiratsvermittler nicht aus. In der Chemie nennt man solche Stoffe Katalysatoren. „Sie sind in der Lage, die gewünschte chemische Reaktion bei vertretbaren Temperaturen in Gang zu setzen, durch ihre bloße Anwesenheit“, erklärt Schomäcker. „Dabei spielen komplexe Prozesse an der Oberfläche der Katalysatoren die entscheidende Rolle.“

Um die Methanveredelung wirtschaftlich in den Griff zu bekommen, suchen die Chemiker, Verfahrenstechniker, Physiker und Biotechnologen der TU Berlin nach anderen Katalysatoren, die die gewünschten Reaktionen bei niedrigerer Temperatur und vor allem mit höherer Ausbeute ermöglichen.

In der Natur gibt es spezielle Bakterien, die ihren Stoffwechsel speisen, indem sie Methan zu Methanol verdauen. Sie nutzen dazu ein Enzym, namens Methanmonooxygenase. „Dieses Enzym möchten wir verstehen, um von der Natur zu lernen, wie die Ethylen-Herstellung besser ablaufen kann“, gibt er einen Ausblick.

Die neuen Katalysatoren werden analysiert und auf ihre Eignung für die Industrie getestet. Zwar gibt es einfache Modelle, wie sich die beteiligten Stoffe verhalten. Aber die Wirkung der Katalysatoren, die Rolle ihrer Oberfläche oder die Geschwindigkeit der Reaktionen und Transportvorgänge werden im Exzellenzcluster „Unicat“ aufgeklärt und in mathematische Modelle gebracht.

Ein Schwerpunkt liegt auf der Messtechnik, um die Katalysatoren exakt zu analysieren. Dazu wird das Testlabor erweitert. „Wir wollen systematisch vorgehen, um die Reaktionen genau zu verstehen und technisch anwenden zu können“, sagt Schomäcker. Dafür bauen die Forscher eine Mini-Fabrik auf, um die Katalysatoren unter industriellen Bedingungen zu testen. Heiko Schwarzburger

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