Biokunststoff mit Potenzial – aber bislang mit Schwächen
PHB zählt weltweit zu den am intensivsten erforschten Biokunststoffen. Mikroorganismen können ihn herstellen, er ist biologisch abbaubar und lässt sich aus erneuerbaren Rohstoffen gewinnen. Seit vielen Jahren gilt PHB daher als vielversprechende Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen. Dennoch blieb der kommerzielle Durchbruch bislang aus.
Der Grund liegt in der Molekülstruktur des Materials. Natürlich vorkommendes PHB bildet hochgeordnete Kristallstrukturen. Dadurch wird der Kunststoff spröde und besitzt einen Schmelzpunkt, der nahe an seiner thermischen Zersetzung liegt. Wer PHB verarbeiten will, bewegt sich deshalb in einem engen Temperaturfenster. Das erschwert die Produktion – und später auch das Recycling.
Chemiker konnten bereits vor Jahren zeigen, dass sich diese Nachteile durch eine gezielte Veränderung der Polymermikrostruktur überwinden lassen. Bisher gelang das allerdings nur auf chemischem Weg. Für eine wirtschaftliche und nachhaltige Herstellung war das kaum praktikabel.
Eine Lehrbuchannahme gerät ins Wanken
Lange ging die Forschung davon aus, dass die beteiligten Enzyme nur eine bestimmte räumliche Form der Polymerbausteine akzeptieren. Mikroorganismen müssten demnach zwangsläufig immer denselben hochgeordneten Kunststoff produzieren.
„Wir haben uns gefragt, ob diese Annahme tatsächlich stimmt“, sagt Prof. Dr. Volker Sieber vom Lehrstuhl für Chemie biogener Rohstoffe der TUM. „Vielleicht waren die benötigten Bausteine in der Zelle bisher einfach nicht verfügbar und deshalb wurde nie beobachtet, dass die Enzyme auch andere Strukturen einbauen können.“
Um diese Hypothese zu testen, entwickelten die Forschenden einen neuen Stoffwechselweg in Escherichia coli und erzeugten gezielt die bislang fehlenden spiegelbildlichen Polymerbausteine. Tatsächlich konnten sie nachweisen, dass die Mikroorganismen diese Bausteine in PHB einbauen. Damit zeigten sie erstmals: Die Enzyme sind nicht so strikt festgelegt, wie lange angenommen.
Weniger Ordnung, bessere Eigenschaften
Die neue Struktur verändert das Material spürbar. Der Schmelzpunkt sank von etwa 179 Grad Celsius auf 154 Grad Celsius. Damit vergrößert sich der Abstand zwischen Verarbeitungstemperatur und thermischer Zersetzung deutlich. Zugleich werden die Polymerketten bei der Verarbeitung weniger stark geschädigt.
„Das klingt zunächst nach einer kleinen Veränderung auf molekularer Ebene“, sagt Marcel Mayer, Doktorand am Lehrstuhl. „Für die Verarbeitung des Materials macht dieser Unterschied jedoch sehr viel aus.“
Neue Möglichkeiten für nachhaltige Kunststoffe
Die Forschenden sehen ihre Arbeit als Beginn einer neuen Entwicklungsrichtung für biologisch produzierte Kunststoffe. Bislang konzentrierte sich die Optimierung von PHB vor allem auf die Kombination verschiedener Monomere. Die neue Arbeit zeigt nun, dass zusätzlich die räumliche Anordnung der Monomere gezielt beeinflusst werden kann.
„Kunststoffchemiker nutzen die Kontrolle der Mikrostruktur seit Jahrzehnten, um Materialeigenschaften gezielt einzustellen“, sagt Sieber. „Mit unserer Arbeit wird dieses Konzept nun erstmals auch für mikrobiell hergestelltes PHB zugänglich“, so Doktorand Mayer.
Langfristig könnten dadurch biologisch abbaubare Kunststoffe entstehen, deren Eigenschaften gezielt an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden – von Verpackungen bis hin zu technischen Materialien. Entsprechend waren die Arbeiten auch im Zentrum für Mikroplastikvermeidung der TUM angesiedelt.
Ein erster Schritt
Noch handelt es sich um einen Machbarkeitsnachweis. Die Forschenden erreichten bereits einen Anteil von knapp sieben Prozent der neuen Bausteine im Polymer und konnten die verbesserten Materialeigenschaften experimentell belegen. Nun wollen sie untersuchen, wie sich dieser Anteil weiter steigern lässt und wie sich die Eigenschaften des Materials noch gezielter steuern lassen.
„Wir zeigen erstmals, dass die Mikrostruktur von biologisch hergestelltem PHB nicht fest vorgegeben ist“, sagt Sieber. „Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähiger und nachhaltiger Biokunststoffe.“