Biokunststoffe aus Polyhydroxyalkanoaten

Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Begrenzte Vorräte und steigende Preise des Rohöls führen zusammen mit internationalen Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels zu einem steten Substitutionsdruck nicht nur bei fossilien Kraftstoffen, sondern auch in den Bereichen Basischemikalien und Kunststoffe. Der in den letzten Jahren stetig wachsende Markt für Biokunststoffe, also solche auf der Basis nichtfossiler Rohstoffe, ist daher von großem Interesse. Ein stark wachsendes Segment in diesem Bereich sind die Polyhydroxyalkanoate (PHA), die nach Stärkeblends, Celluloseestern und Polylaktiden die derzeit viertgrößte Gruppe der Biokunststoffe stellen. Sie erzielen zweistellige prozentuale Zuwachsraten und haben eine geschätzte Produktionskapazität von bis zu 130.000 t/Jahr. PHA sind bakteriell hergestellte Polyesteraus gesättigten und ungesättigten Hydroxyalkansäuren mit thermoplastischen Eigenschaften, die nicht-toxisch und zu 100% bioabbaubar sind. Klassische  Anwendungsbereiche sind Fasern, Hygieneartikel und Verpackungen. Ihre Biokompatibilität prädestiniert PHA-Werkstoffe zudem als Träger von Geschmacksstoffen in Lebensmitteln und zur Verwendung im medizinischen Bereich, z. B. als resorbierbare Gefäßimplantate, chirurgische Nahtfäden und Mikrokapseln.

Obwohl über 150 PHAs bekannt sind, werden lediglich drei in signifikanten Mengen hergestellt: Polyhydroxybutyrat (PHB), Polyhydroxyvalerat (PHV) und Poly-3-Hydroxy Butyrat-co- Valerat (PHBV). Der aktuell prominenteste Vertreter, PHB, zeigt ähnliche Eigenschaften wie Polypropylen und zeichnet sich durch eine hohe Steifheit und Sprödigkeit aus. Die Verarbeitung kann analog zu „klassischen“ Polymeren z. B. mit Spritzguss- oder Extrusionsverfahren erfolgen. Die Entwicklung von PHB-Blends mit anderen Fettsäuren wie beispielsweise Valerat führt zu PHBV, einem Werkstoff mit höherer Zähigkeit. Die bisher relativ geringe Produktionsmenge und die damit verbundenen hohen Produktionskosten halten den Preis für PHA aktuell noch über dem erdölbasierter Polymere. Die industrielle Erzeugung von PHA ist derzeit auf den Einsatz biotechnologisch optimierter Mikroorganismen angewiesen. In Bioreaktoren werden unter Mangelbedingungen von diesen Organismen PHA-Einschlusskörper als Energiereserven gebildet. Unter optimalen Bedingungen können die Polymere hierbei bis zu 95% des Trockengewichts der Zellen ergeben. Die hohen Produktionskosten entstehen durch die Kosten der Rohmaterialien und hohe Prozesskosten im Bereich der Aufreinigung der Produkte. Rohstoffe, die häufig für das Wachstum der Mikroorganismen und die Produktion von PHA eingesetzt werden, sind Zucker, aufgeschlossene Stärke, Alkohole und industrielle Abfallprodukte wie Melasse. Diese Nährquellen müssen derzeit aus Futterplfanzen gewonnen werden, was zu negativen Umweltfolgen bei der Kultivierung dieser Pflanzen durch Eutrophierung und Übersäuerung führen kann. Mehrere Life–Cycle–Analysen (LCA) für PHA weisen daher auf eine schlechte ökologische Bilanz der Polymere hin.

In den letzten Jahren wurden vereinzelt Strategien entwickelt und bereits teilweise implementiert, die die Produktion und Ökobilanz deutlich verbessern könnten. Als eine Möglichkeit zur Kostenreduktion bieten sich Komposite und Blends mit anderen PHA oder Polymeren an. Zudem wurden große Fortschritte in der Forschung erzielt, die eine Optimierung der Produktionsbedingungen und eine damit verbundene Kostenreduktion ermöglichen. Ein neues Verfahren nutzt Luft und Treibhausgase als Rohstoffe für die Produktion von PHA. Dazu wird der Stoffwechsel zweier Mikroorganismenarten so aufeinander abgestimmt, dass das Stoffwechselabfallprodukt der einen Organismengruppe zur Nahrungsquelle des Zweiten wird. In einem Bioreaktor mit wässrigem Wachstumsmedium (Wasser und anorganische Salze) werden Luftsauerstoff und beispielsweise Methan eingeleitet. Eine Mikroorganismenart, die das Enzym Methan-Monooxygenase besitzt, ist in der Lage, das gasförmige Methan als Kohlenstoffquelle/Nahrungsquelle zu nutzen und sich zu vermehren. Nach einer Wachstumsphase werden zusätzlich  Treibhausgase in den Bioreaktor eingeleitet. Der Metabolismus dieser Mikroorganismenart kann die Gase mit Hilfe desselben Enzyms zu ungefährlichen Stoffwechselprodukten oxidieren und anschließend aus der Zelle ins Nährmedium ausschleusen. Werden nun solche PHA-produzierende Mikroorganismen dem Reaktor zugeführt, die in der Lage sind, die ausgeschleusten Stoffwechselprodukte als Nährquelle zu benutzen, ist ein Wachstum der Mikroorganismen ohne weitere Nährstoffzugaben möglich. Im Anschluss an diese Wachstumsphase der PHA-produzierenden Zellen wird ein wichtiger anorganischer Zusatzstoff im Bioreaktor künstlich reduziert, und die Zellen beginnen mit der Produktion von PHA als Energiereserven. Diese Art der Produktion ist unabhängig von landwirtschaftlich erzeugten Rohstoffen, wodurch sie kostensparender wird. Zusätzlich wird die ökologische Bilanz des mikrobiellen Verfahrens erheblich verbessert, da auch Treibhausgase reduziert werden.

Neben den mikrobiellen Verfahren wird zudem an Alternativen zur Herstellung des Biopolymers geforscht. Der Pflanzenstoffwechsel einiger Nutzpflanzen kann gentechnisch dahingehend optimiert werden, dass diese größere Mengen an PHA produzieren. Es gibt bereits verschiedene erfolgreiche Testansätze PHA in unterschiedlichen Pflanzenorganellen zu produzieren, aber bis zu einem wirtschaftlich tragenden Konzept wird jedoch noch einige Zeit dauern.

Eine weitere kürzlich veröffentlichte Strategie nutzt Mikroalgen als Bioreaktoren. Die Vorteile dieser Vorgehensweise gegenüber der Synthese in transgenen Pflanzen wären insbesondere die kurze und hohe Wachstumsrate, die einfachen Kultivierungsbedingungen und die leichte Handhabung der Organismen. Zudem wird, im Gegensatz zur Kultivierung von PHA-Pflanzen, eine Konkurrenz um landwitschafliche Nutzflächen vermieden. In ersten Versuchen mit diesen Algen wurden über 10% Zelltrockengewicht erreicht. Dieser Anteil kann vermutlich noch deutlich gesteigert werden. Generell problematisch ist das derzeit fehlende Recyclingsystem für Biokunststoffe. PHA können zwar mikrobiell abgebaut werden, jedoch wäre es ökologisch und ökonomisch sinnvoller, eine zusätzliche Nutzung als Biokraftstoff anzuschließen. Beispielsweise entsteht durch die Veresterung von PHA mit Methanol eine Verbindung, die Verbrennungswärmen vergleichbar zu Ethanol aufweist. Es wurde außerdem berichtet, dass diese Verbindung sich auch als Kraftstoffadditiv (10–30%) eignet und dabei in Bezug auf Sauerstoffgehalt, dynamischer Viskosität sowie Flamm- und Siedepunkt bessere Eigenschaften als Ethanol zeigt.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

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