Der Holzbestandteil Lignin wird an der Universität Graz als Rohstoff für chemische Synthesewege untersucht. Die Chemikerin Katalin Barta entwickelt Verfahren, mit denen sich aus diesem Nebenprodukt der Holzindustrie gezielt bioaktive Moleküle herstellen lassen. Ausgangspunkt ist die Nutzung vorhandener molekularer Strukturen, um den Energiebedarf chemischer Prozesse zu senken und die Entstehung von Abfällen zu reduzieren.
Die Arbeiten reichen von der Gewinnung geeigneter Ausgangsmaterialien über neue Synthese- und Katalysemethoden bis hin zur Prüfung biologischer Eigenschaften der gewonnenen Moleküle. Für diesen Ansatz erhielt Barta den Zero Emissions Award der alpha+ Stiftung des Wissenschaftsfonds FWF, der klimarelevante Grundlagenforschung auszeichnet.
Chemische Wertschöpfung aus Holzresten
Lignin ist ein zentraler Bestandteil von Pflanzen und verleiht Holz seine Stabilität. In der Holz- und Papierindustrie fällt es in großen Mengen als Nebenprodukt an und wird bislang nur begrenzt stofflich genutzt. Diese Verfügbarkeit macht Lignin zu einem interessanten Rohstoff für die chemische Forschung, insbesondere im Hinblick auf nachhaltige Produktionsverfahren.
An der Universität Graz wird Lignin gezielt als Ausgangsstoff für die Herstellung bioaktiver Moleküle eingesetzt. Die Arbeiten zielen darauf ab, fossile Rohstoffe zu ersetzen und chemische Prozesse effizienter zu gestalten. Dabei wird nicht nur ein einzelner Reaktionsschritt betrachtet, sondern der gesamte Weg von der Rohstoffnutzung bis zum potenziellen Endprodukt.
Grenzen petrochemischer Produktionsweisen
Ein Großteil heutiger Konsum- und Wirtschaftsgüter basiert auf petrochemischen Verfahren. Kunststoffe, Farbstoffe, Pestizide und pharmazeutische Wirkstoffe werden überwiegend aus Erdöl gewonnen. Diese Prozesse sind technisch ausgereift und wirtschaftlich etabliert, gehen jedoch mit hohem Energieverbrauch und dem Einsatz zahlreicher chemischer Hilfsstoffe einher.
Um aus einfachen petrochemischen Molekülen komplexe Wirkstoffe herzustellen, sind viele einzelne Syntheseschritte erforderlich. Jeder dieser Schritte benötigt Energie sowie Lösungsmittel, Reagenzien und Katalysatoren und erzeugt Nebenprodukte. In der Pharmaindustrie führt dies zu besonders hohen Abfallmengen, was sich im sogenannten E-Faktor widerspiegelt, der dort Werte von bis zu 100 erreichen kann.
Biomasse erfordert angepasste chemische Strategien
Die chemische Verarbeitung von Biomasse, auch als Bioraffinerie bezeichnet, gilt als mögliche Alternative zu fossilen Rohstoffen, ist bislang jedoch häufig kostenintensiv. Nach Einschätzung von Katalin Barta liegt dies daran, dass biogene Materialien oft mit Denkansätzen aus der Petrochemie verarbeitet werden, die ihrer strukturellen Komplexität nicht gerecht werden.
Biomasse weist bereits eine hohe molekulare Funktionalität auf. In den Grazer Arbeiten wird diese gezielt genutzt, anstatt sie zunächst abzubauen. Jeder Schritt im chemischen Prozess wird von Beginn an mitgedacht – von der Auswahl der Ausgangsmaterialien über die Synthese bis hin zu Fragen der späteren Weiterverwertung und des Recyclings.
Lignin als natürliche Quelle aromatischer Strukturen
Chemisch besonders relevant ist Lignin aufgrund seines hohen Anteils an aromatischen Verbindungen. Aromaten sind ringförmige Kohlenstoffstrukturen und zentrale Bausteine der organischen Chemie. Sie kommen in zahlreichen Produkten vor, darunter Kunststoffe, Epoxidharze, Farbstoffe, Weichmacher, Pestizide und Arzneimittel.
Während diese Verbindungen bislang fast ausschließlich aus Erdöl gewonnen werden, stellt Lignin die größte natürliche Quelle für Aromaten dar. Als Nebenprodukt der Holzindustrie ist es kontinuierlich verfügbar. Seine hohe Stabilität schützt Holz vor dem Zerfall, stellt die chemische Verarbeitung jedoch zugleich vor besondere Herausforderungen.
Vorhandene Komplexität verkürzt Synthesewege
Der methodische Ansatz von Bartas Arbeitsgruppe besteht darin, die vorhandene molekulare Komplexität von Lignin gezielt zu nutzen. Anstatt einfache Moleküle schrittweise aufzubauen, wird von bereits komplexen Strukturen ausgegangen. Dadurch lassen sich mehrere Reaktionsschritte zusammenfassen oder ganz vermeiden.
Auf dieser Grundlage gelang es, Dopamin, ein bekanntes pharmazeutisches Molekül, aus Lignin herzustellen. Darüber hinaus wurden Verfahren entwickelt, mit denen Moleküle wie Benzoaxine in nur drei Schritten aus Holzspänen oder Hackschnitzeln gewonnen werden können. Auf petrochemischem Weg wären dafür rund 13 Schritte erforderlich, was den Energie- und Ressourcenbedarf erheblich erhöht.
WoodValue: Bioaktive Moleküle aus Holz
Die beschriebenen Arbeiten sind im vom FWF geförderten Projekt „WoodValue: Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz“ gebündelt. Ziel ist die Entwicklung ganzheitlicher chemischer Strategien für Lignin als Ausgangsstoff. Der gesamte Prozess ist auf möglichst wenige Syntheseschritte sowie auf Energie- und Ressourceneffizienz ausgelegt.
Die aus Lignin gewonnenen Moleküle dienen als Ausgangsstoffe für hochwertige Produkte, insbesondere für pharmazeutische Anwendungen. Im Projekt werden sowohl bekannte Wirkstoffe nachgebildet als auch neue Verbindungen erzeugt, deren biologische Eigenschaften weiter untersucht werden.
Biologische Prüfung und weitere Anwendungen
Für die Prüfung der bioaktiven Eigenschaften arbeitet Bartas Forschungsgruppe mit der deutschen Helmholtz-Gesellschaft zusammen. Die dort durchgeführten Untersuchungen konzentrieren sich unter anderem auf antibakterielle und krebsrelevante Wirkungen. Bei einem Teil der bisher getesteten Verbindungen konnten bereits positive Eigenschaften festgestellt werden.
Neben pharmazeutischen Molekülen befasst sich die Forschung auch mit nachhaltigen Polymeren sowie mit waschaktiven Substanzen für Kosmetik- und Reinigungsprodukte. Förderungen durch mehrere ERC Grants sowie einen EIC Transition Grant unterstützen diese Arbeiten, die perspektivisch auch auf industrielle Anwendungen ausgerichtet sind.