Chemie & Life Sciences

Ideen für die nachhaltige Chemie von morgen

Das Problem mit dem Problembewusstsein

17.04.2024 - Für eine nachhaltige Chemie braucht es ein umfassendes Verständnis und innovative Lösungen.

Die Chemieindustrie gilt nach wie vor als eine der Branchen, die sich dem Thema Nachhaltigkeit am langsamsten nähern. So wurden die Emissionen von Treibhausgasen in den letzten Jahren deutlich weniger reduziert als bspw. in der Pharma- oder Automobilindustrie. Eine Vielzahl von Faktoren erschwert hier den Umstieg auf nachhaltige Mechanismen. Wie kann die Branche trotzdem aufholen? Welche Weichen können jetzt schon gestellt werden und welche Innovationen bereits morgen die Industrie nachhaltiger gestalten?

In der Chemie geht es in puncto Nachhaltigkeit zunächst nicht um ein innovatives Verfahren oder neu entwickelte Produkte, die erweiterte Nachhaltigkeitsstandards setzen. Vielmehr muss zuerst das Problembewusstsein innerhalb der Branche geschärft werden. Denn ein Großteil der Akteure scheint sich weder des eigentlichen Problems bewusst zu sein, noch potenzielle Lösungen für mehr Nachhaltigkeit zu kennen. Der erste Schritt wäre demnach, deutlich mehr Aufklärungsarbeit zu leisten und Entscheidungsträgern und Forschungsteams die notwendigen Informationen zu liefern. Hierbei ist es wichtig, Probleme und ihre potenziellen Lösungsansätze transparent zu kommunizieren. Nur durch ein umfassendes Verständnis können die Akteure in der Chemiebranche gemeinsam an nachhaltigeren Produkten arbeiten und langfristig die gesamte Branche in Richtung „grün” lenken. Dabei können Start-ups wichtige Impulsgeber sein.

Landwirtschaft als Dreh- und Angelpunkt

Potenzial für nachhaltige Innovationen gibt es an vielen Stellen. Die vielversprechendsten davon decken sich mit den größten globalen Herausforderungen. Wenn es darum geht, sich diesen anzunehmen, erscheint der Chemiesektor als eine der paradoxesten Industrien. Vor allem mit Blick auf die Ziele nachhaltiger Entwicklung der Vereinten Nationen wird das deutlich: Eine der global größten Aufgaben ist die Nahrungsversorgung von acht Milliarden Menschen, zu der die Chemieindustrie einen signifikanten Teil beiträgt. Mineralische Dünger sind notwendig, um die Ernährung zu sichern und Ernteausfällen vorzubeugen: Ohne sie enthalten Ackerböden meist zu wenig Nährstoffe. Das Paradoxe: Die meisten mineralischen Dünger sind in ihrer Herstellung energie- und ressourcenintensiv und können negative Effekte auf aquatische Ökosysteme haben. Dies steht wiederum im Gegensatz zu Zielen im Bereich Umweltschutz, wie der Erhaltung der Ozeane oder der Bewahrung der allgemeinen Umwelt.

Hier bieten CRISPR/Cas-Methoden vielversprechende Lösungen. Durch sie lassen sich schädlings- und herbizidresistente Pflanzen mit einer verbesserten Nährstoffzusammensetzung züchten. Diese Pflanzen sind optimaler als unbehandelte Pflanzen für die Produktherstellung und gleichzeitig ideale Basis für die Phytochemie. Darüber hinaus ersetzen sie chemische Grundstoffe oder Zwischenprodukte.

Nachhaltige Dünger

Nunos entwickelt ein Verfahren, das die Landwirtschaft in Zukunft für Nachhaltigkeitszwecke nutzen könnte. Das Kölner Start-up macht sich dafür das aus der Raumfahrt stammende C.R.O.P-Verfahren zu Nutze. Ihre Aufbereitungsanlage verwandelt Gülle und Gärprodukte in eine Düngemittellösung, welche eine kontrollierte Stickstoffausbringung in den Boden ermöglicht. Die Emission von Ammoniak und ähnlichen Stoffen in Grundwasser und Ackerboden wird dadurch verhindert und ein Güllegeruch bei der Ausbringung vermieden. Die enthaltenen Nährstoffe liegen in stabilen Stickstoffverbindungen vor und können verlustfrei ausgebracht werden. Damit könnten Landwirte in Zukunft die Fruchtbarkeit ihrer Böden langfristig garantieren und einer Eutrophierung vorbeugen.

 

„Potenzial für nachhaltige Innovationen gibt es an vielen Stellen.“

 

Alternative zu Tierversuchen

Ein weiterer Aspekt der Nachhaltigkeit ist der Tierschutz. Klar ist, dass die Industrie noch lange nicht auf Tierversuche verzichten kann. Im Rahmen des 3R-Prinzips (Replace, Reduce, Refine) wird jedoch seit Jahren versucht, die Haltung der Versuchstiere zu verbessern, ihre Zahl zu reduzieren und schließlich ganz durch tierversuchsfreie Alternativ­methoden zu ersetzen. Letzteres lässt sich am besten durch umfangreiche In-vitro-Tests gewährleisten, die durchgeführt werden, bevor ein Versuchstier überhaupt mit potenziell schädlichen Substanzen in Kontakt kommt. Damit beschäftigt sich das Düsseldorfer Start-up DNTOX: Der Gesetzgeber schreibt vor, dass potenziell schädliche Substanzen auf ihren Einfluss auf das adulte Gehirn getestet werden müssen. Eine Prüfung auf die sog. Entwicklungsneurotoxizität, also die Schädigung der Hirnentwicklung, ist allerdings nur bei Auffälligkeiten in früheren Studien an erwachsenen Tieren vorgeschrieben. Alle diese Untersuchungen werden an Tieren durchgeführt, zumeist an Nagetieren. Das ist nicht nur für die Versuchstiere schmerzhaft, sondern hat für die Forschung auch den großen Nachteil, dass die Tests nur eine begrenzte Aussagekraft für den Menschen haben, da sich die Gehirne von Nagern und Menschen in ihrer Entwicklung stark unterscheiden. Außerdem gibt es eine große Datenlücke, da Substanzen nur unzureichend getestet werden, was zu Unsicherheiten für schwangere Menschen führt. Um eine Alternative zu Tierversuchen zu schaffen, kombiniert DNTOX einzelne Tests, die auf menschlichen Zellen basieren und verschiedene Schlüsselprozesse der Gehirnentwicklung abbilden. Die Auswertung der Daten wird durch Künstliche Intelligenz unterstützt. Ziel ist es, der chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie ethisch unbedenkliche und kostengünstige Alternativen zu Tierversuchen zur Verfügung zu stellen – ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigen Entwicklung.

Nachhaltige Katalysatoren durch KI

Künstliche Intelligenz könnte in Zukunft auch die Nachhaltigkeit der Chemieindustrie günstig beeinflussen. Das im letzten Jahr gegründete Unternehmen XEMX aus Bochum setzt an einem der relevantesten Eckpunkte der Chemieindus­trie an: Katalytische Prozesse, die für die Herstellung von etwa 80 % der Chemieerzeugnisse eingesetzt werden. Insbesondere bei der Produktion von Wasserstoff benötigen Katalysatoren teure Ressourcen, in der Regel Edelmetalle, die oftmals umweltschädlich abgebaut werden. Diese zu ersetzen, wäre kostengünstiger und wesentlich nachhaltiger. Das Start-up nutzt KI in Form einer datengetriebenen Hochdurchsatzforschung, um edelmetallfreie Werkstoffkombinationen zu finden. Diese werden an den Bedarf des jeweiligen Prozesses angepasst – davon profitiert im Endeffekt jedes elektrochemische Verfahren. Die vom Gründerteam entwickelte künstliche Intelligenz hat nach kurzer Zeit bereits über 100.000 Zusammensetzungen getestet. Wird so die Zukunft der Katalysatorforschung in der und für die Chemieindustrie aussehen?

Die drei beschriebenen innovativen Start-ups zeigen beispielhaft, wie man zukünftig auch die Chemie­industrie nachhaltiger gestalten kann. Ideen gibt es genug – jetzt liegt es an den Akteuren, mutig voranzugehen.


Autor: Lutz Müller, Projektleiter, Science4Life e.V., Frankfurt am Main

 

„Künstliche Intelligenz könnte in Zukunft auch die Nachhaltigkeit der Chemieindustrie günstig beeinflussen.“

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Zur Person

Lutz Müller ist Projektleiter der Gründer­initiative Science4Life, wo er sich u.a. mit nachhaltigen Chemieprojekten auseinandersetzt. Der Veterinärmediziner studierte an der Justus-Liebig-Universität Gießen und gründete bereits nach der Promotion an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz 1996 sein eigenes Unternehmen für Spezialtierfutter. Ab 2003 arbeitete er bei Nutrinova und ab 2006 mehr als 14 Jahre bei Sanofi-­Aventis, bevor er 2020 zu Science4Life wechselte.

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