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Biofunktionalisierte Kunststoffe Plastik der Zukunft – neue Möglichkeiten durch Enzyme

Autor / Redakteur: Dr. Sandra Mehlhase* / Christian Lüttmann

Kunststoffe sind wohl so vielseitig wie kein anderes Material. Und in Zukunft werden sie noch vielseitiger: Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung entwickeln Verfahren, um Kunststoffe mit aktiven Enzymen auszustatten. So könnten zukünftig selbstreinigende Rohre oder sich selbst zersetzende Verpackungen hergestellt werden.

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Herstellung einer biofunktionalisierten Folie im Verarbeitungstechnikum
Herstellung einer biofunktionalisierten Folie im Verarbeitungstechnikum
(Bild: Fraunhofer IAP)

Potsdam-Golm – Materialien, die sich selbst reinigen, die Anti-Schimmel-Oberflächen besitzen oder sich sogar selbst abbauen können – das sind nur einige Beispiele dafür, was aktive Enzyme in Kunststoffen ermöglichen würden. Doch damit die enzymspezifischen Eigenschaften auf die Materialien übertragen werden können, dürfen die Enzyme beim Einbau in den Kunststoff nicht geschädigt werden. Keine leichte Aufgabe, schließlich werden viele Kunststoffe bei deutlich über 100 °C verarbeitet, was den meisten Biomolekülen nicht gut bekommt.

Bestimmung der enzymatischen Aktivität eines biofunktionalisierten Kunststoffes.
Bestimmung der enzymatischen Aktivität eines biofunktionalisierten Kunststoffes.
(Bild: Fraunhofer IAP)

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP haben nun im Projekt „Bio-funktionalisierung/Biologisierung von Polymermaterialien BioPol“ eine Lösung für den Enzymeinbau in Kunststoffe entwickelt. „Dass es uns nicht um die Produktion von biofunktionalisierten Kunststoffen im Labormaßstab geht, war von Anfang an klar. Wir wollten direkt groß einsteigen, um zu zeigen, dass die technische Herstellung möglich ist“, sagt Dr. Ruben R. Rosencrantz, Leiter der Abteilung „Biofunktionalisierte Materialien und (Glyko)Biotechnologie“ am Fraunhofer IAP. Schon jetzt, nachdem ungefähr die Hälfte der Projektlaufzeit vorbei ist, zeigen sich Erfolge: Mit Blick sowohl auf die Enzyme selbst als auch auf den Verarbeitungsprozess, ist die Einbindung von Enzymen gelungen.

Anorganische Schutzrüstung für das Enzym

Die Suche nach einer Möglichkeit, die Enzyme zu stabilisieren, führte die Forscher zu einer Verwendung von anorganischen Trägern. Diese stellen eine Art Schutzrüstung für das Enzym dar, erklärt Rosencrantz: „Wir verwenden beispielsweise anorganische Partikel, die sehr porös sind. Die Enzyme binden an diese Träger, indem sie sich in die Poren einlagern. Auch wenn dadurch die Beweglichkeit der Enzyme eingeschränkt ist, bleiben sie weiterhin aktiv und halten deutlich höheren Temperaturen stand.“ Der Forschungsleiter betont jedoch, es gebe keinen allgemein gültigen Stabilisierungsprozess: „Jedes Enzym ist anders. Welcher Träger und welche Technologie für dessen Beladung am besten geeignet ist, bleibt enzymabhängig.“

Eine Gratwanderung zwischen den Parametern

Ein Ziel der Forscher war es, die stabilisierten Enzyme nicht nur auf der Oberfläche des Kunststoffes aufzutragen, sondern sie direkt in den Kunststoff einzuarbeiten. „Dies ist zwar deutlich schwieriger, aber so können auch Abnutzungserscheinungen an der Materialoberfläche der Funktionalität der Kunststoffe nichts anhaben“, erklärt Thomas Büsse, der das institutseigene Verarbeitungstechnikum für Biopolymere in Schwarzheide leitet.

Um im Weiterverarbeitungsprozess ein optimales Materialergebnis zu erhalten, müssen sich die stabilisierten Enzyme schnellstmöglich in der heißen Kunststoffschmelze verteilen, der sie beigemischt werden. Wichtig hierbei ist, dass weder die Krafteinwirkung noch die Temperaturen zu hoch werden. Eine Gratwanderung, mit deren Ergebnis Büsse sich zufrieden zeigt: „Wir haben ein Verfahren entwickelt, das sich sowohl für Biokunststoffe als auch für die klassischen erdölbasierten Kunststoffe wie Polyethylen eignet. Zusätzlich zeigen unsere Untersuchungen, dass stabilisierte Enzyme nach der Einarbeitung in den Kunststoff nochmals höheren thermischen Belastungen gewachsen sind, als sie es vor der Verarbeitung waren. Dies erleichtert den Einsatz der Enzyme und sämtliche Prozessschritte in erheblichem Maße.“

Selbstreinigend, giftabbauend und mehr

Bisher haben sich die Forscher am Fraunhofer IAP v. a. mit Proteasen beschäftigt, was die Wahl des Enzyms betrifft. Diese können andere Eiweiße spalten. Der mit ihnen funktionalisierte Kunststoff erhält dadurch eine selbstreinigende Wirkung. So könnten beispielsweise Rohre weniger leicht zuwachsen oder verstopfen. Aber auch andere Enzyme werden systematisch getestet. Die Kooperationspartner an der BTU Cottbus-Senftenberg setzen sich beispielsweise verstärkt mit Enzymen zum Kunststoffabbau und zum Abbau von giftigen Substanzen auseinander.

Erste funktionalisierte Kunststoffgranulate, Folien und Spritzgusskörper wurden bereits hergestellt. Dass die darin eingearbeiteten Enzyme weiterhin aktiv sind, haben die Wissenschaftler bereits nachgewiesen. Im nächsten Schritt testen und verbessern sie nun die Alltagstauglichkeit in verschiedenen Anwendungen. Rosencrantz und Büsse sind optimistisch – und haben bereits eine Patentanmeldung auf ihre Forschung eingereicht.

* Dr. S. Mehlhase, Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, 14476 Potsdam-Golm

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