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Mit Bakterien zum besseren Kunststoff

Nylon aus Bakterien, High-Tech-Kunststoffe aus dem Bioreaktor – der Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe will die Bio- mit der Kunststofftechnologie verknüpfen und damit klassischen Industriefeldern wie Chemie, Fahrzeugbau, Textiltechnik, Verpackungs- oder Medizintechnik einen Innovationsschub verpassen. Für die Biotechnologie als Technologie-Aufsteiger tun sich neue Arbeitsfelder auf.

Die Idee liegt nahe: Chitin im Insektenpanzer, Stärke in der Kartoffel, Glykogen im Muskel, Zellulose in Pflanzenfasern – biologische Polymere sind fast so alt wie die Natur selbst. Aber auch Kunststoffe, wie sie im Alltag massenhaft vorkommen, sind nichts anderes als Polymere, aufgebaut aus einfachen Grundbausteinen. Warum sollen biologische Systeme, wie zum Beispiel Mikroorganismen, daher nicht auch zur Kunststoffproduktion eingesetzt werden können?
Ein Maikäfer mit geöffneten Flügeln kurz vor dem Abflug.
Chitin ist das zweithäufigste Biopolymer der Erde. Es kommt zum Beispiel im Insektenpanzer vor und ist, wie alle Polymere, aus einfachen Basisbausteinen aufgebaut. (Foto: Wikipedia)

Biotechnologie wird Teil der Wertschöpfung

Im Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe, mit dem die BIOPRO Baden-Württemberg GmbH beim Wettbewerb „BioIndustrie 2021“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) erfolgreich war, wird diese Frage weitergedacht. 60 Unternehmen und 35 Forschungseinrichtungen haben sich im Cluster zusammengeschlossen. Im Mittelpunkt des Interesses stehen biotechnologische Verfahren, mit denen die vielfältigen Polymere, die die Medizintechnik-, Kunststoff-, Textil- und Automobilindustrie einsetzt, hergestellt werden können.

Handelsübliche Kunststoffe haben zwei Dinge gemeinsam: Sie sind aus Einzelbausteinen, so genannten Monomeren, aufgebaut, und für ihre Herstellung wird in der Regel Erdöl verwendet. „Das sind gute Voraussetzungen, um biotechnologische Prozesse in die Wertschöpfungskette der kunststoffverarbeitenden Industrie einzugliedern“, sagt Dr. Ralf Kindervater, Geschäftsführer der BIOPRO Baden-Württemberg GmbH.

Veränderungen sind Chancen

Bakterien, im Bild Bacillus subtilis, könnten die Basis der biotechnologischen Kunststoffproduktion werden. (Foto: Wikipedia)
Herausforderungen wie der steigende Erdölpreis oder die Diskussion um Kohlendioxid und Klimawandel erhöhen den Innovationsdruck auf die Wirtschaft. In solchen Konstellationen liegt eine Chance: Sie ebnen neuen Verfahren den Weg. Die Basisbausteine für Polymere könnten zum Beispiel mit biotechnologischen Methoden hergestellt werden. Als Produktionshelfer kommen Mikroorganismen in Frage. Ihr Repertoire an biochemischen Prozessen ist groß und sie können in Bioreaktoren schnell vermehrt werden. Selbst einfache Organismen beherrschen mehrere hundert verschiedene Reaktionen, die von Enzymen unterstützt werden. Letztendlich liegt in den Enzymen das Geheimnis des technologischen Potenzials von Bakterien, Pilzen und höheren Zellen – ganz gleich, ob es sich um die eher simpel gebauten Mikroorganismen oder um die komplex organisierten Säugerzellen handelt, die zum Beispiel im Menschen billionenfach vorkommen.

Mathematik des Stoffwechsels

Alle höheren Zellen und alle Mikroorganismen bauen mithilfe ihrer Enzyme sowohl einfache als auch hochmolekulare (bio-)chemische Verbindungen auf. Dazu benötigen sie im Allgemeinen lediglich einige Nährstoffe, zum Beispiel Kohlenstoff und Stickstoff, mit denen sie ihre Grundversorgung sichern. Das Stoffwechselgeschehen ist jedoch ein kompliziertes Netz aus vielen Einzelreaktionen, die sowohl sequenziell als auch parallel ablaufen. In einer einzigen Zelle eines Menschen geschehen in jeder Sekunde über 100.000 biochemische Reaktionen.
Der Stoffwechsel und somit das Produktionsverhalten von Mikroorganismen und höheren Zellen kann von außen beeinflusst werden. Es ist ein Dickicht aus Parametern, das die Biotechnologen dazu durchdringen müssen: Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Konzentrationen von Stoffwechselabfällen, Stoffübergänge aus dem Nährmedium in die Mikroorganismen und umgekehrt, aber auch Einflussgrößen wie Belüftung und Durchmischung der Kultur und die Auswahl des geeigneten Organismus nehmen Einfluss auf den Produktionserfolg und die Wirtschaftlichkeit eines bioverfahrenstechnischen Prozesses. Bei Escherichia coli zum Beispiel, ein Darmbakterium und beliebtes Untersuchungsobjekt der Mikrobiologie, werden rund 260 Stoffwechselreaktionen allein dadurch beeinflusst, dass an Stelle von Glukose Succinat als Basisnährstoff eingesetzt wird.

Cluster als ideale Struktur

Die Stoffwechselwege einer Zelle sind ein Labyrinth (Abbildung: Roche, zum Vergrößern klicken)
Der Stoffwechsel eines Organismus ist also der Dreh- und Angelpunkt in der biologischen Wertstoffproduktion. Sollen seine artspezifischen Eigenschaften charakterisiert werden, kommt der Systembiologie besondere Bedeutung zu. Die Systembiologie verfolgt die Idee, biologische Prozesse mit mathematischen Methoden zu beschreiben und zu simulieren. Sie analysiert quasi die technischen Daten einzelner Stoffwechselreaktionen, aus denen dann die Besonderheiten ganzer Stoffwechselwege abgeleitet werden. Mit diesen Informationen ist es möglich, durch geschickte Auswahl von Nährstoffen und anderen Parametern die Stoffströme in der Zelle so zu leiten, dass ein Mikroorganismus eine gewünschte chemische Verbindung stärker produziert als zuvor. Ergänzt um Erkenntnisse und Techniken aus der Molekulargenetik nähern sich Biotechnologen so dem maßgeschneiderten Stoffwechsel. Metabolic modelling und metabolic engineering werden Realität und mit ihnen die zellbasierte Biofabrik nach Kundenwunsch. „Die Aufgabe besteht zunächst darin, die Stellschrauben des Stoffwechsels zu identifizieren, anschließend müssen geeignete Kulturbedingungen definiert und Aufbereitungsprozesse für die gewünschten Monomere etabliert werden“, sagt Kindervater und betont: „Das sind Aufgaben mit stark interdisziplinärem Charakter, für deren Lösung ein Cluster ideal ist.“

Gewachsenes Umfeld aus Wissenschaft und Technologie

Aus der Analyse des technologischen und wissenschaftlichen Umfelds in Baden-Württemberg ergab sich, dass die weiße Biotechnologie, die Systembiologie, die Polymerchemie und die Bioverfahrenstechnik im Südwesten sehr gut entwickelt sind. „In Freiburg, Stuttgart, Ulm, Hohenheim und Karlsruhe wird bereits seit zehn Jahren an den Schnittstellen von Bioverfahrenstechnik und Polymerchemie geforscht“, berichtet Kindervater. Ursprünglich wurden dort unter anderem biologisch abbaubare Polymere entwickelt. Heute kann das dabei gewonnene biotechnologische Wissen über Fermentation, Mikrobiologie und Polymerchemie auch im Hinblick auf die Produktion von Bausteinen für Biopolymere und Biokunststoffe genutzt werden. Welche klassischen Branchen könnten von solchen Entwicklungen profitieren? „Ich sehe hier eine ganze Reihe an Gewinnern“, erklärt Kindervater. „Zum Beispiel Automotive, Bauchemie, Verpackung, Textiltechnik oder Medizintechnik.“ Entsprechend bunt ist die Palette der Industriepartner im Cluster. Beteiligt sind unter anderem die Firmen Bosch, Fischer, BASF und Daimler.

Der Cluster verfolgt zwei Strategien

Die Kunststoffbranche kennt im Wesentlichen drei Kunststoffgruppen:
  1. Massenkunststoffe wie Polyäthylen, Polypropylen, Polystyrol oder Polyvinylchlorid (PVC) für Flaschen, Folien, Verpackungen, Behälter oder Bauteile ohne besondere Anforderungen

  2. technische Kunststoffe wie Nylon, Teflon

  3. Hochleistungskunststoffe für Medizin, Raumfahrt und andere High-Tech-Branchen

Aus dieser Systematik ergeben sich zwei strategische Optionen für den Cluster. Kindervater: „Mit den Massenkunststoffen, die billig aus Abfällen der Erdölindustrie hergestellt werden, können die Biopolymere nicht konkurrieren. Für den Cluster folgt daraus, dass wir für technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe Alternativen aus Biopolymeren schaffen und, als weiteres Ziel, Biopolymere mit neuartigen Eigenschaften entwickeln müssen. In der Limitierung der klassischen Erdölchemie liegen aus meiner Sicht die Chancen der Biopolymere.“

Bekanntes besser machen

Nylon ist ein wirtschaftlich sehr erfolgreiches Polymer. (Foto: Wikipedia/Universität Ulm)
Bessere Polymere durch den Einsatz von Biotechnologie – der Gedanke führt gut 70 Jahre zurück zu einem der erfolgreichsten Massenprodukte der Polymerchemie. Wallace Carothers stellte 1935 erstmals das Nylon, ein Polyamid, her. Zunächst arbeitete er an einer Variante, die aufgrund ihrer chemischen Struktur als 5,10-Nylon bezeichnet wird. Dieser Nylon-Typ hat zwar wesentlich bessere Eigenschaften als die Spielarten 6-Nylon und 6,6-Nylon, die später entwickelt wurden, aber seine Herstellung war zu teuer. Die Zeiten ändern sich: Dank des biotechnologischen Fortschritts wird es in naher Zukunft möglich sein, das High-Tech-Nylon des 5,10-Typs wirtschaftlich zu produzieren. Oft kann man mit neuen Technologien selbst die guten alten Errungenschaften noch besser machen. Der Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe arbeitet daran.

chb - 31.03.08
© BIOPRO Baden-Württemberg GmbH
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