Die chemische Industrie ist in vielen Bereichen weiterhin stark von fossilen Rohstoffen abhängig. Ein alternativer Ansatz liegt in der Nutzung biogener Reststoffe. Ein Forschungsteam um Katalin Barta an der Universität Graz arbeitet daran, den Holzbestandteil Lignin als Ausgangsstoff für die Herstellung komplexer Moleküle nutzbar zu machen.

Nebenprodukt mit Potenzial

Lignin fällt in großen Mengen als Nebenprodukt der Holz- und Papierindustrie an. Es gilt als eine große natürliche Quelle für Aromaten. Diese ringförmigen, besonders stabilen Moleküle aus Kohlenstoffatomen sind zentrale Bausteine der organischen Chemie und finden unter anderem in Pharmazeutika Anwendung. Bislang werden solche Aromaten überwiegend aus Erdöl gewonnen.

Weniger Syntheseschritte, geringerer Energiebedarf

Der Ansatz der Arbeitsgruppe beruht darauf, die im Lignin bereits vorhandene molekulare Komplexität gezielt zu nutzen. Dadurch lassen sich bestimmte pharmazeutisch relevante Moleküle mit deutlich weniger Syntheseschritten herstellen als in konventionellen petrochemischen Verfahren. In einzelnen Fällen konnten komplexe Verbindungen in wenigen Schritten aus Holzresten gewonnen werden, während aus Erdöl deutlich längere Synthesewege erforderlich wären.

„Wir haben eine Methode entwickelt, um bestimmte Moleküle, die sehr schwer herzustellen sind, wie Benzoaxine, in nur drei Schritten aus Holzspänen oder Hackschnitzeln zu gewinnen. Aus Erdöl bräuchten wir 13 Schritte“, so Barta.

Weniger Prozessschritte reduzieren nicht nur den Energiebedarf, sondern auch den Materialeinsatz und die Abfallmengen. Dies wirkt sich positiv auf den Umweltfaktor (E-/environmental Faktor) aus, der das Verhältnis von Abfallmenge zu Produktmenge beschreibt und insbesondere in der Pharmaindustrie bislang sehr hoch ist.

Potenzial für Medikamente und weitere Anwendungen

Im Rahmen des vom Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekts „WoodValue: Nachhaltige Wege zu bioaktiven Heterocyclen aus Holz“ werden aus Lignin bioaktive Moleküle entwickelt, die als Ausgangsstoffe für Arzneimittel dienen können.

„Dieses Vorgehen erlaubt uns, in deutlich weniger Schritten zu einem nützlichen Produkt zu gelangen. Uns ist zum Beispiel gelungen, Dopamin, ein bekanntes pharmazeutisches Mittel, aus Lignin herzustellen“, erläuterte Barta.

Neben der Nachbildung bekannter Wirkstoffe untersuchen die Forschenden auch neuartige Molekülstrukturen, deren biologische Eigenschaften in Kooperation mit externen Forschungseinrichtungen getestet werden.

Darüber hinaus arbeitet das Team an biobasierten Polymeren und Tensiden. Für einzelne Anwendungen sind bereits Ausgründungen geplant, die die Übertragung der Forschungsergebnisse in industrielle Prozesse vorbereiten sollen.