Viele Plastiktüten bestehen aus Polyethylen, einem Kunststoff, dessen lange Molekülketten sich nur schwer gezielt in wertvolle Bausteine zerlegen lassen. Chemiker des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock haben im Labor eine Methode entwickelt, die Polyethylenstücke mit stark verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid bei höchstens 120 Grad Celsius in Dicarbonsäuren umwandelt. Diese Säuren könnten als Ausgangsstoffe für Nylon dienen, bislang entsteht jedoch ein Gemisch mit Kohlenstoffketten von vier bis zehn Atomen. Ob die für bestimmte Nylonarten besonders wichtige Sechserkette in ausreichender Menge und Reinheit vorliegt, ist noch offen.
Der Ansatz zielt auf Polyethylenabfall, der im Alltag allgegenwärtig ist und sich zugleich chemisch nur schwer in neue Ausgangsstoffe verwandeln lässt. Polyethylen steckt in Tragetaschen, Folien und zahlreichen Verpackungen. Das Material ist leicht, formbar und beständig. Genau diese Eigenschaften erschweren es, seine langen Molekülketten gezielt zu spalten und daraus eine eng begrenzte Auswahl chemischer Produkte zu gewinnen.
Am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) untersuchen Dr. Esteban Mejía und der Postdoktorand Dr. Satyajit Panda deshalb einen anderen Weg als die klassische mechanische Wiederverwertung. Sie setzen Polyethylenstücke mit stark verdünnter Salpetersäure und Wasserstoffperoxid um. Nach Angaben des Instituts gelingt dies ohne Katalysator und bei einer Temperatur von höchstens 120 Grad Celsius. Die Mitteilung des Leibniz-Instituts für Katalyse beschreibt damit ein reales Laborergebnis, aber noch kein industriell einsetzbares Recyclingverfahren.
Polyethylen besteht aus langen Ketten, in denen sich eine einfache Baueinheit immer wiederholt. Sie enthält jeweils zwei Kohlenstoffatome und vier Wasserstoffatome. Die Kette setzt sich aus vielen solchen Einheiten zusammen und besitzt ein Rückgrat aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Anders als manche anderen Kunststoffe enthält Polyethylen keine leicht angreifbaren Ester- oder Amidbindungen, an denen sich eine chemische Zerlegung gezielt ansetzen könnte. Seine Struktur besteht im Wesentlichen aus stabilen Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen.
Diese chemische Einfachheit ist ein Grund für die Beständigkeit des Materials. Zugleich fehlt ein eingebauter Angriffspunkt, an dem ein Lösungsmittel oder ein Enzym die Kette einfach auftrennen könnte. Eine Fachübersicht in Green Chemistry beschreibt Polyethylen und andere Polyolefine deshalb als besonders widerstandsfähig gegenüber chemischer Funktionalisierung und Abbau. Die Herausforderung besteht nicht allein darin, die langen Ketten zu verkürzen. Entscheidend ist, die Brüche so zu steuern, dass möglichst viele Moleküle mit einer gewünschten Struktur entstehen und nicht ein schwer trennbares Gemisch aus zahlreichen Fragmenten.
Beim mechanischen Recycling wird der Kunststoff dagegen zunächst sortiert, gereinigt, zerkleinert und wieder aufgeschmolzen. Das Material bleibt dabei grundsätzlich Polyethylen, erhält aber eine neue Form. Verunreinigungen, unterschiedliche Kunststoffsorten und die Vorgeschichte des Materials können die Qualität des Rezyklats beeinflussen. Chemisches Recycling verfolgt einen anderen Ansatz: Es verändert die Moleküle selbst und soll aus dem Abfall chemische Grundstoffe gewinnen, aus denen anschließend neue Materialien entstehen können. Beide Wege erfüllen unterschiedliche Aufgaben und müssen nicht gegeneinander ausgespielt werden.
Für Polyethylen ist die gezielte chemische Umwandlung besonders anspruchsvoll, weil seine Kette aus gleichartigen Bindungen aufgebaut ist. Werden diese Bindungen ohne ausreichende Kontrolle gespalten, entstehen Moleküle verschiedener Länge. Eine solche Produktverteilung kann zwar für manche chemischen Anwendungen nutzbar sein, ist aber weniger hilfreich, wenn ein bestimmter Baustein für die Herstellung eines neuen Kunststoffs benötigt wird. Genau an dieser Selektivität setzt die Rostocker Arbeit an.
Die LIKAT-Chemiker nutzen eine oxidative Reaktion. Salpetersäure und Wasserstoffperoxid wirken als Oxidationsmittel. Sie ermöglichen es, den reinen Kohlenwasserstoff Polyethylen in sauerstoffhaltige Verbindungen umzuwandeln. Das nachgewiesene Produkt sind Dicarbonsäuren. Diese Moleküle besitzen zwei Carboxylgruppen, also jeweils eine chemisch reaktive Gruppe aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Sie können deshalb als Bausteine für weitere Synthesen dienen.
Der Versuchsansatz kommt ohne Katalysator aus. Das unterscheidet ihn von zahlreichen anderen untersuchten Verfahren, bei denen katalytisch aktive Materialien die Umwandlung beschleunigen oder beeinflussen sollen. Auch die eingesetzten Oxidationsmittel, die Aufbereitung der Reaktionslösung und die spätere Abtrennung der Produkte gehören zur Gesamtbilanz.
In den Versuchen lösen sich die Polyethylenstücke unter den gewählten Bedingungen sichtbar auf. Das Verschwinden der Kunststoffstücke ist jedoch nicht mit der Herstellung eines fertigen Nylonrohstoffs gleichzusetzen. Es zeigt zunächst, dass sich das Ausgangsmaterial chemisch umwandelt. Welche Moleküle dabei entstehen und in welchem Verhältnis sie vorliegen, muss durch Analysen bestimmt werden. Die bisher berichteten Produkte sind Dicarbonsäuren mit unterschiedlichen Kettenlängen.
Eine wichtige Rolle spielt nach Angaben des Teams die Art, wie dem Reaktionsgemisch Wärme zugeführt wird. Es reicht nicht aus, lediglich eine Höchsttemperatur einzustellen. Die Umwandlung durchläuft mehrere Zwischenstufen. Bleiben diese Zwischenprodukte zu lange im Reaktionssystem, entwickelt sich die Reaktion ungünstig und am Ende entsteht ein komplexeres Gemisch. Das Wärmeprofil muss deshalb so gesteuert werden, dass die einzelnen Reaktionsschritte in einem geeigneten Verhältnis ablaufen. Die genaue Abfolge der chemischen Zwischenstufen ist noch Gegenstand der Forschung.
Die bislang eingegrenzte Produktverteilung umfasst Dicarbonsäuren mit vier bis zehn Kohlenstoffatomen. Für das angestrebte Nylon-Ausgangsmaterial ist vor allem eine Verbindung mit sechs Kohlenstoffatomen interessant. Eine Dicarbonsäure kann über ihre beiden Carboxylgruppen mit passenden weiteren Molekülen verknüpft werden. Reagiert sie beispielsweise mit einem Molekül, das zwei Aminogruppen trägt, können sich wiederholende Amidbindungen entstehen. Solche Bindungen bilden das charakteristische chemische Rückgrat von Polyamiden, zu denen Nylon gehört.
Ein bekanntes Beispiel ist Nylon 6,6. Bei seiner Herstellung werden Adipinsäure und Hexamethylendiamin miteinander umgesetzt. Adipinsäure ist eine Dicarbonsäure mit sechs Kohlenstoffatomen. Die US-amerikanische Vorschrift für Nylonharze beschreibt diese Kombination ausdrücklich als Herstellungsweg für Nylon 6,6. Das LIKAT-Team zielt mit seiner C6-Fraktion auf einen Baustein, der für eine solche Polyamidroute relevant sein kann. Die Institutsmitteilung legt allerdings nicht fest, welche Nylonvariante später genau hergestellt werden soll.
Die Unterscheidung ist wichtig, weil Nylon kein einzelner Kunststoff mit nur einem Herstellungsweg ist. Nylon 6 entsteht beispielsweise aus dem Ringmolekül Caprolactam und benötigt keine Adipinsäure als Ausgangsstoff. Andere Polyamide verwenden wiederum Dicarbonsäuren mit längeren Kohlenstoffketten. Die C6-Dicarbonsäure ist deshalb kein universeller Rohstoff für jedes Nylon, sondern besonders für bestimmte Polyamidtypen interessant. Die neue Methode muss also nicht nur möglichst viele Säuren erzeugen, sondern gezielt die für den gewünschten Kunststoff passende Verbindung bereitstellen.
Genau dazu fehlen bislang entscheidende Angaben. Das Institut nennt weder den Anteil der C6-Verbindung im Produktgemisch noch eine isolierte Ausbeute, Reinheit oder eine vollständige Stoffbilanz. Auch ist nicht angegeben, wie aufwendig sich die verschiedenen Dicarbonsäuren voneinander trennen lassen. Ohne diese Informationen lässt sich nicht beurteilen, wie viel verwertbarer Nylonbaustein aus einer bestimmten Menge Polyethylenabfall tatsächlich gewonnen werden könnte. Die berichtete Eingrenzung auf vier bis zehn Kohlenstoffatome ist ein Fortschritt bei der Produktverteilung, aber noch kein Nachweis für eine ausreichend reine Adipinsäureproduktion.
Ein anderer Forschungsweg zur Gewinnung von Nylon-Ausgangsstoffen setzt nicht bei Kunststoffabfall, sondern bei Pflanzenmaterial an. Dabei wird Lignin, ein Bestandteil pflanzlicher Zellwände, mithilfe von Raffineriechemie und angepassten Bakterien zu Adipinsäure verarbeitet. Dieser Ansatz unterscheidet sich sowohl beim Ausgangsmaterial als auch beim Verfahren von der Rostocker Polyethylen-Oxidation. Er zeigt, dass sich alternative Rohstoffwege für Polyamidbausteine entwickeln lassen, ohne dass die Ergebnisse des einen Teams auf das andere übertragen werden können. Der Ansatz mit Pflanzenmaterial und Lignin ist damit ein eigenständiger Weg und kein Vorläufer des LIKAT-Verfahrens.
Ein verbreiteter chemischer Weg zur Verwertung von Polyethylen ist die Pyrolyse. Dabei werden lange Kunststoffketten durch hohe Temperaturen in einer sauerstoffarmen oder sauerstofffreien Umgebung thermisch zersetzt. Es handelt sich nicht um kontrolliertes Verbrennen. Die Ketten brechen in kleinere Moleküle auf, aus denen je nach Ausgangsmaterial und Prozessbedingungen unter anderem flüssige Kohlenwasserstoffe, Wachse und Gase entstehen können. Eine Fachübersicht zu chemischen Kunststoffrecyclingverfahren beschreibt für die Pyrolyse von Polyolefinen typische Temperaturbereiche von mehreren hundert Grad Celsius und betont, dass die Produktmischung anschließend weiter aufbereitet werden muss.
Der LIKAT-Ansatz verfolgt ein anderes chemisches Ziel. Statt Polyethylen vor allem thermisch in kleinere Kohlenwasserstoffe zu zerlegen, oxidiert das Team das Material mit chemischen Oxidationsmitteln und gewinnt sauerstoffhaltige Dicarbonsäuren. Die gemeldete Höchsttemperatur liegt deutlich unter den typischen Temperaturbereichen der Pyrolyse. Daraus folgt jedoch noch nicht, dass die neue Methode weniger Energie benötigt. Die Temperatur allein sagt nicht aus, wie viel Energie für das gesamte Verfahren erforderlich ist. Dazu zählen auch das Aufheizen, die Dauer der Reaktion, die Aufbereitung der Chemikalien und die Trennung der Produkte.
Auch die Umweltbilanz lässt sich aus dem bisherigen Ergebnis nicht ableiten. Dafür müssten unter anderem die Herstellung und der Verbrauch von Salpetersäure und Wasserstoffperoxid, die Menge und Behandlung der entstehenden Nebenprodukte, der Energiebedarf und die tatsächlich gewonnene Menge an nutzbarer Dicarbonsäure berücksichtigt werden. Eine geringere Reaktionstemperatur kann ein Vorteil sein, ist aber für sich genommen kein Beleg für geringere Treibhausgasemissionen oder niedrigere Kosten. Ebenso wenig lässt sich aus dem Verzicht auf einen Katalysator bereits auf eine wirtschaftliche industrielle Nutzung schließen.
Die Forschungsgruppe arbeitet seit April 2026 an dem Thema. Neben Esteban Mejía und Satyajit Panda ist Prof. Dr. Udo Kragl von der Universität Rostock beteiligt. Die Zusammenarbeit soll helfen, die Selektivität der Reaktion zu verbessern und die gewünschte Dicarbonsäure gezielter von den übrigen Produkten zu trennen. Für die weitere Arbeit hat das Team eine Projektförderung bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft beantragt. Eine höhere Selektivität würde bedeuten, dass ein größerer Anteil des Ausgangsmaterials in die gewünschte Verbindung überführt wird und weniger Aufwand für die nachträgliche Trennung entsteht.
Parallel dazu wollen die Forscher den Reaktionsmechanismus aufklären. Dazu muss bekannt werden, welche Zwischenprodukte während der Umwandlung entstehen und wann sie sich bilden. Erst wenn diese Schritte besser verstanden sind, lässt sich erklären, weshalb ein bestimmtes Wärmeprofil die Produktverteilung verbessert. Eine Kooperation mit einem Wissenschaftler der Universität Guayaquil in Ecuador untersucht außerdem in photochemischen Experimenten, welchen Einfluss Licht auf reaktive Sauerstoffspezies haben kann. Solche reaktiven Sauerstoffspezies spielen auch in anderen oxidativen Ansätzen zum Abbau von Polyethylen eine Rolle. Ob und wie sie den konkreten LIKAT-Prozess steuern, ist noch nicht geklärt.
Der nächste technische Schritt wäre ein Verfahren im Technikumsmaßstab. Damit ist eine Anlage gemeint, in der ein Laborprozess unter größeren und stärker praxisnahen Bedingungen erprobt wird, bevor eine industrielle Anlage infrage kommt. Bei einer solchen Übertragung muss die Wärme gleichmäßig und reproduzierbar in das Reaktionsgemisch gelangen. Auch das Mischen, die Kontrolle der Zwischenprodukte und die Trennung der verschiedenen Säuren müssen zuverlässig funktionieren. Ein im kleinen Reagenzglas beobachteter Effekt lässt sich nicht automatisch auf größere Mengen übertragen, weil sich Wärme und Stoffe in einem größeren Reaktionsvolumen anders verteilen können.
Bislang hat das Team weder ein Technikumsverfahren demonstriert noch Polyethylenabfall in fertige Nylonfäden verwandelt. Die Ergebnisse liegen derzeit als Mitteilung des Instituts vor; eine wissenschaftliche Veröffentlichung im Journal of the American Chemical Society wird vorbereitet und ist noch nicht peer-reviewed erschienen. Im Dezember soll die Gruppe ihre Resultate außerdem auf der Southeast Asia Catalysis Conference vorstellen.
Leibniz-Institut für Katalyse, LIKAT mit neuer Methode zum Upcycling von Polyethylen – Massenhaft nutzbar als Ausgansstoff für Nylon
Hui Luo, Helen Tyrrell, Jingyang Bai, Rukayya Ibrahim Muazu und Xiangyi Long, Fundamental, technical and environmental overviews of plastic chemical recycling; Green Chemistry 26, 11444–11467; doi:10.1039/D4GC03127J
Electronic Code of Federal Regulations, 21 CFR § 177.1500, Nylon resins
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