Bakterien sollen erneuerbare, unendlich recycelbare Kunststoffe produzieren

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Ersatz endlicher, umweltschädlicher Petrochemikalien durch nachhaltige Alternativen

WissenschaftlerInen haben Mikroben entwickelt, um Bestandteile für wiederverwertbare Kunststoffe herzustellen – und damit  zu ersetzen. Der neue Ansatz zeigt, dass erneuerbare, wiederverwertbare Kunststoffe nicht nur möglich sind, sondern auch besser abschneiden als solche aus Petrochemikalien, so das Lawrence Berkeley National Laboratory auf seiner Internetseite. Die Forscher haben E. coli so verändert, dass es Zucker aus Pflanzen in Rohstoffe für bioresistente Kunststoffe umwandelt. Diese biologisch erneuerbaren Kunststoffe werden als PDKs (Poly-diketoenamine) bezeichnet, eine neue Art von Kunststoffen, die immer wieder effizient recycelt werden können.

Plastikmüll am Strand in Havanna, Kuba – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Kunststoffabfälle sind ein Problem. Die meisten Kunststoffe können nicht recycelt werden, und für viele werden endliche, umweltschädliche Petrochemikalien als Grundstoffe verwendet. Aber das ändert sich jetzt. In einer am 27.07.2023 in Nature Sustainability veröffentlichten Studie haben Forscher erfolgreich Mikroben entwickelt, um biologische Alternativen für die Ausgangsstoffe eines unbegrenzt wiederverwertbaren Kunststoffs herzustellen.

Das Ergebnis ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Experten aus drei Einrichtungen des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums: der Molecular Foundry, dem Joint BioEnergy Institute (JBEI) und der Advanced Light Source.

Infolge des Ersatzes von Petrochemikalien durch die Bio-Alternative wurde die Arbeitstemperatur der PDKs erhöht, was Anwendungen in der Autoindustrie und darüber hinaus ermöglicht. Selbst mit bescheidenen Verbesserungen könnte die Verwendung von Bio-Alternativen in naher Zukunft umweltfreundlicher und billiger als Petrochemikalien sein.

„Dies ist das erste Mal, dass Bioprodukte integriert wurden, um ein PDK herzustellen, das überwiegend biobasiert ist“, sagte Brett Helms, Wissenschaftler an der Molecular Foundry, der das Projekt leitete. „Und es ist das erste Mal, dass man einen biologischen Vorteil gegenüber der Verwendung von Petrochemikalien sieht, sowohl in Bezug auf die Materialeigenschaften als auch auf die Kosten für die Herstellung in großem Maßstab.

Anders als herkömmliche Kunststoffe können PDKs immer wieder in ihre ursprünglichen Bausteine zerlegt und zu neuen Produkten geformt werden, ohne an Qualität zu verlieren. Ursprünglich wurden für PDKs Bausteine aus der Petrochemie verwendet, doch diese Bestandteile können umgestaltet und stattdessen mit Mikroben hergestellt werden. Nach vier Jahren Arbeit haben Mitarbeiter nun E. coli so manipuliert, dass sie einen Teil der Ausgangsstoffe – ein Molekül, das als Triessigsäurelacton oder bioTAL bekannt ist – in Zucker aus Pflanzen umwandeln und ein PDK mit etwa 80 % Bioanteil herstellen konnten.

„Wir haben gezeigt, dass der Weg zu 100 % Bioanteil in wiederverwertbaren Kunststoffen machbar ist“, so Jeremy Demarteau, ein Projektwissenschaftler des Teams, das an der Entwicklung der Biopolymere beteiligt ist. „Das wird man in Zukunft von uns sehen.“

PDKs können für eine Vielzahl von Produkten verwendet werden, darunter Klebstoffe, flexible Gegenstände wie Computerkabel oder Uhrenarmbänder, Baumaterialien und „harte Duroplaste“, also starre Kunststoffe, die durch einen Aushärtungsprozess hergestellt werden. Die Forscher waren überrascht, dass die Einarbeitung von bioTAL in das Material den Arbeitstemperaturbereich im Vergleich zur petrochemischen Version um bis zu 60 Grad Celsius erweitert. Dies eröffnet die Möglichkeit, PDKs für Gegenstände zu verwenden, die bestimmte Arbeitstemperaturen benötigen, z. B. Sportgeräte und Automobilteile wie Stoßstangen oder Armaturenbretter.
Lösung des Plastikmüllproblems

Das Umweltprogramm der Vereinten Nationen schätzt, dass wir weltweit jedes Jahr etwa 400 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle produzieren, und diese Zahl wird bis 2050 voraussichtlich auf mehr als 1 Milliarde Tonnen ansteigen. Von den 7 Milliarden Tonnen Plastikmüll, die bereits produziert werden, werden nur etwa 10 Prozent recycelt, während der größte Teil auf Mülldeponien landet oder verbrannt wird.

„Wir können unsere schwindenden Vorräte an fossilen Brennstoffen nicht weiter nutzen, um dieses unstillbare Verlangen nach Kunststoffen zu stillen“, sagte Jay Keasling, Professor an der UC Berkeley, leitender Wissenschaftler im Bereich Biowissenschaften des Berkeley Lab und Geschäftsführer des JBEI. „Wir wollen dazu beitragen, das Problem des Plastikmülls zu lösen, indem wir Materialien schaffen, die sowohl biologisch erneuerbar als auch zirkulär sind, und den Unternehmen einen Anreiz bieten, sie zu verwenden. Dann könnten die Menschen die Produkte, die sie brauchen, für die Zeit haben, in der sie sie brauchen, bevor diese Gegenstände in etwas Neues umgewandelt werden.“

„Unsere neuen Ergebnisse sind äußerst ermutigend“, sagte Corinne Scown, wissenschaftliche Mitarbeiterin in der Energy Technologies Area des Berkeley Lab und Vizepräsidentin des JBEI. „Wir haben festgestellt, dass wir schon mit bescheidenen Verbesserungen des Produktionsprozesses bald biobasierte PDK-Kunststoffe herstellen könnten, die sowohl billiger sind als auch weniger CO2 ausstoßen als solche, die mit fossilen Brennstoffen hergestellt werden.“

Zu diesen Verbesserungen gehören die Beschleunigung der Umwandlung von Zuckern in bioTAL durch Mikroben, die Verwendung von Bakterien, die eine größere Vielfalt an pflanzlichen Zuckern und anderen Verbindungen umwandeln können, und die Versorgung der Anlage mit erneuerbarer Energie.

Das Lawrence Berkeley National Laboratory wurde 1931 in der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und seine Wissenschaftler wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln die Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, treiben die Grenzen der Computertechnik voran und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt nutzen die Einrichtungen des Labors für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen. Das Berkeley Lab ist ein nationales Labor mit mehreren Programmen, das von der Universität von Kalifornien für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des US-Energieministeriums ist der größte Förderer der physikalischen Grundlagenforschung in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Lösung einiger der dringendsten Probleme unserer Zeit. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte energy.gov/science.

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