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Bakterien basteln Bioplastik

Polyhydroxyalkanoate sind Speicherstoffe, die viele Zellen, Pflanzen und Bakterien nur dann bilden und ablagern, wenn ihnen wichtige Nährstoffe fehlen. Ein ganz besonderes Merkmal dieser kunststoffähnlichen Biopolymere ist, dass ihre Zusammensetzung und damit ihre Materialeigenschaften über den Fermentationsprozess gesteuert werden können.

Noch in diesem Jahr wollen die US-Unternehmen Archer Daniels Midland Company und Metabolix unter dem Joint-Venture-Namen Telles eine Produktionsanlage in Betrieb nehmen und mit der Herstellung von Mirel™ starten. Auf Mirel™ ruhen große Hoffnungen. Der neue Kunststoff besteht zu 100 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen und ist zudem noch vollständig biologisch abbaubar. Basis von Mirel™ sind sogenannte Polyhydroxyalkanoate (PHA). Diese wasserunlöslichen Polymere werden von vielen Bakterien, von Hefepilzen, aber auch von Pflanzen wie zum Beispiel der Ackerschmalwand, Raps, Tabak oder Mais gebildet. Voraussetzung ist, dass zwar ausreichend Zucker, Stärke oder andere Kohlenstoffquellen bereit stehen, weitere wichtige Nährstoffe wie Phosphor, Stickstoff oder Spurenelemente zugleich knapp sind.

Stoffwechselwege bestimmen das Produkt

PHA ist ein Überbegriff für Polymere, die aus Hydroxy-Carbonsäuren aufgebaut sind, also Carbonsäuren, die eine oder mehrere zusätzliche OH-Gruppen tragen. Aufgrund der chemischen Struktur können manche Organismen Hydroxy-Carbonsäuren zu Polyestern verknüpfen. Mehr als 150 PHAs sind bekannt, eine Vielfalt, die nicht von ungefähr kommt. Zellen stellen Hydroxy-Carbonsäuren aus Standardzwischenprodukten des Energiestoffwechsels und der Fettsäuresynthese her. Wenn wichtige Komponenten im Nahrungsangebot fehlen, weichen die Organismen und Zellen auf Nebenwege im Stoffwechsel aus und bilden PHAs. Abhängig von der Kohlenstoffquelle, die zur Verfügung gestellt wird, werden im Stoffwechsel an bestimmten Knotenpunkten Weichen gestellt, mit dem Ergebnis, dass die chemische Struktur der PHAs variiert.

Dieses Prinzip ist nahezu ideal, um den chemischen Aufbau und damit die Eigenschaften von PHAs im biotechnologischen Prozess zu steuern. Setzt man beispielsweise eine langkettige Kohlenstoffquelle wie Palmöl ein, produzieren Mikroorganismen mehr PHAs, die aus dem kurzkettigen 3-Hydroxybutyrat und dem langkettigen 3-Hydroxyhexanoat bestehen. Verwendet man hingegen Glukose als Substrat, verschwindet der langkettige Anteil und das PHA wird weniger flexibel.

Schwächen an der Basis

PHAs können aus Ketten des immer gleichen Bausteins aufgebaut ein, dies ist beispielsweise bei Polyhydroxybutyrat (PHB) der Fall. Aber es können auch verschiedene Elemente zusammengefügt sein, mit dem Effekt, dass sich die Werkstoffeigenschaften ändern. So ist das am simpelsten gebaute PHA, das Polyhydroxybutyrat, in zwei Parametern vergleichbar mit dem Massenkunststoff Polypropylen. Der Schmelzpunkt liegt jeweils bei etwa 180 Grad Celsius und auch die Zugfestigkeit ist fast gleich. Deutlich schlechter schneidet das PHB aber bei der Reißfestigkeit ab. Wird ein PHB-Werkstück nur um fünf Prozent verlängert, reißt es. Polypropylen ist deutlich härter im Nehmen, es toleriert Verlängerungen um bis zu 400 Prozent.

Auch bei der Glasübergangstemperatur zeigt das PHB Schwächen. Dieser Parameter gibt an, ab welcher Temperatur ein Kunststoff zunehmend spröde und damit brüchig wird, wenn die Umgebungstemperatur weiter sinkt. PHB hat eine Glasübergangstemperatur von 4 Grad Celsius. Eine Schüssel aus PHB wäre somit bruchgefährdet, wenn man sie aus einem gut gekühlten Kühlschrank nimmt und fallen lässt. Dann besser doch zum Polypropylen oder zu bestimmten Polyethylensorten greifen – sie beginnen erst bei etwa -10 Grad beziehungsweise -30 Grad Celsius spröde zu werden.

Wichtiges und häufiges Polyhydroxyalkanoat: 3-Hydroxybutyrat. © Wikipedia
Anteile von 3-Hydroxyvalerat verändern die Eigenschaften von Polyhydroxybutyraten. © Wikipedia

Natürliche Weichmacher aus dem Bioprozess

Dennoch sind PHB und viele andere PHAs technisch interessante Kunststoffe. Bringt man den Baustein von PHB, das 3-Hydroxybutyrat, gemeinsam mit einem nahen Verwandten, dem 3-Hydroxyvalerat in einem Polymer unter, ändern sich die Werkstoffparameter entscheidend. Werden im Polymer nur 20 Prozent der Butyratmoleküle durch 3-Hydroxyvalerat ersetzt, sinkt der Schmelzpunkt des Kunststoffs auf 145 Grad Celsius, das Material wird geschmeidiger, die Glasübergangstemperatur verringert sich auf -1 Grad Celsius und die Reißfestigkeit verzehnfacht sich.

Kurz - mittel - lang

Drei Hauptgruppen von PHAs lassen sich unterscheiden. Kurzkettige PHAs bestehen aus Basismolekülen, die drei bis fünf Kohlenstoffatome lang sind. Mittellange PHAs sind aus Hydroxycarbonsäuren zusammengesetzt, deren Grundgerüst sechs bis 14 Kohlenstoffatome lang ist. Sind die Basiseinheiten länger als 14 Kohlenstoffatome, spricht man von langkettigen PHAs. Je höher der Anteil an mittel- oder langkettigen Grundelementen, desto mehr nehmen die daraus gebildeten Polymere die Eigenschaften von Elastomeren an. Sie werden also immer mehr zum Gummi, der sich unter Zug dehnen lässt und bei Entspannung in seine ursprüngliche Form zurückkehrt.

Viele Stellschrauben

PHAs öffnen den Zugang zu vielen Einsatzbereichen. Die Prozessführung, die Wahl der Nährstoffe und des Organismus werden zu Designparametern, mit denen Bio- und Kunststofftechnologen Polymere nach Maß synthetisieren lassen können. Zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten ergeben sich, wenn der Stoffwechsel des jeweiligen Organismus mit gentechnologischen und systembiologischen Methoden auf das gewünschte Polymer zugeschnitten wird.

Das Schlüsselenzym in der PHA-Produktion ist die PHA-Synthase. Sie verknüpft am Ende des Prozesses die Basisbausteine zum Polymer. Die PHA-Synthasen aus verschiedenen Organismen agieren keinesfalls identisch, obwohl sie biochemisch betrachtet dieselbe Aufgabe haben. Manche bevorzugen kurzkettige Bausteine, andere mittellange und wieder andere arbeiten am besten mit langkettigen. Mit gentechnischen Verfahren können Biotechnologen die Synthasen exakt auf die vorhandenen Bausteine abstimmen und die Ausbeute und Homogenität des Polymers verbessern.

Qualitäts-, Kosten und Imagefrage

Mirel™ kann zu vielen Kunststoffprodukten des Alltags verarbeitet werden. © Telles

Mirel™, der Biokunststoff auf PHA-Basis, soll im kommenden Jahr auf den Markt kommen. Abnehmer gibt es nach Angaben des Herstellers bereits mehrere. Die Chemie im Polymer scheint zu stimmen, der Kunststoff ist geeignet für Gerätegehäuse, Dosen, Schalen und andere Konsumverpackungen. Ob die Chemie zwischen Biokunststoff und Verbraucher ebenfalls stimmt, muss die Zukunft zeigen. Mirel™ soll etwa 1,50 Euro je Kilogramm kosten – Polypropylen kostet etwa 85 Cent. Bei Metabolix spielt der Preis nur eine untergeordnete Rolle im Kampf um Marktanteile: „Wir haben ein Premiumprodukt mit erstklassigen Eigenschaften für die Umwelt“, gibt man sich selbstbewusst. Der Ökofaktor stärkt das Image des Kunststoffs - so ist zumindest die Hoffnung.

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