2. Preis Natur- und Technikwissenschaften 2025

„Grüne“ Lösungsmittel aus dem Computer

Text: Dorthe March

Wie können wir eine lebenswerte Welt hinterlassen? Wie müssen zum Beispiel die Prozesse von morgen in der chemischen Industrie aussehen? Und welchen kleinen Beitrag kann ich dazu leisten? Diese Fragen haben Laura König-Mattern bei der Wahl ihres Studiums und zuletzt bei der Ausdifferenzierung ihres Promotionsthemas geleitet. „Die meisten Chemikalien für zum Beispiel Kleidung, Cremes und Kunststoffe werden noch immer auf Erdölbasis unter hohen CO2-Emissionen hergestellt, befeuern den Klimawandel und brauchen fossile Ressourcen auf“, erläutert die Verfahrenstechnikerin. „Deshalb ist ein Umstieg auf erneuerbare Rohstoffe wie Biomasse nötig.“ Dabei spielen Bioraffinerien eine zentrale Rolle. Dort werden aus Biomasse wie Holz oder Pflanzenresten wertvolle Moleküle gelöst, die bei der Produktion von Arzneimitteln, Chemikalien, Lebens- und Futtermitteln sowie von Kraftstoffen wie Bioethanol gebraucht werden.

Genetischer Algorithmus im Einsatz

Derzeit kommen dabei häufig Lösungsmittel zum Einsatz. Doch diese sind oft selbst erdölbasiert und hochgiftig. Deshalb forscht König-Mattern an „grünen“ Lösungsmitteln – und hat in ihrer Dissertation computerbasierte Screening- und Designmethoden entwickelt, mit denen individuelle Lösungsmittel systematisch ausgewählt und sogar hergestellt werden können. „Die Auswahl eines Lösungsmittels hat einen erheblichen Einfluss auf die Produktausbeute, den Energiebedarf, die Treibhausgasemissionen, die Betriebssicherheit und die Wirtschaftlichkeit eines Bioraffinerieprozesses“, sagt König-Mattern.

Das Potenzial computergestützter Methoden zu diesem Zweck wurde bisher kaum ausgeschöpft. Doch König-Mattern hat nun ein Screening entwickelt, das sie erfolgreich für Holz- und Mikroalgenbiomasse überprüft hat. „Dabei wird eine Datenbank mit mehr als 8.000 potenziellen Lösungsmitteln systematisch nach passenden Lösungsmitteln durchsucht. Diese Methode verwendet computergestützte Modelle, um die wichtigsten Lösungsmitteleigenschaften zu berechnen – unter anderem thermophysikalische und thermodynamische Eigenschaften sowie unkritische Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitseigenschaften“, sagt sie. Zudem hat die Verfahrenstechnikerin eine rechnergestützte Methode für das Design von neuen Lösungsmitteln erarbeitet. „Dabei wird die molekulare Struktur der Lösungsmittel als Graph abstrahiert, der mithilfe eines genetischen Algorithmus an die Zieleigenschaft angepasst wird.“ Ihre Arbeit setzt König-Mattern nun am Center for the Transformation of Chemistry in Leuna fort, wo viele Menschen daran arbeiten, die lineare chemische Industrie zu einer umweltverträglichen Kreislaufwirtschaft umzugestalten.

Laura König-Mattern studierte an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Biosystemtechnik (Bachelor) und Systemtechnik und Technische Kybernetik (Master). Als Gastwissenschaftlerin forschte sie an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz. Im Rahmen ihrer Promotion an der Otto-von-Guericke-Universität arbeitete sie am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg. Heute ist sie Gruppenleiterin am Center for the Transformation of Chemistry in Leuna.

Beitragstitel: Die chemische Industrie im Wandel: Mit Algorithmen und Biomasse zu nachhaltigen

Prozessen

Laura König-Mattern

laura.koenig-mattern@mpikg.mpg.de

Promotion an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik