Kunststoff-Weiterentwicklung Bio? Logisch! Polymer erhält biologische Abbaubarkeit

Selbstheilend, rezyklierbar und nun auch biologisch abbaubar: Ein vielfältiges Polymer wurde von Forschern der Uni Konstanz weiterentwickelt und nun mit Bioabbaubarkeit ausgestattet, ohne die bisherigen positiven Materialeigenschaften einzubüßen.

Man stelle sich einen Kunststoff wie diesen vor: Er ist härter als gängige Kunststoffe, nicht brennbar und besitzt zudem Selbstheilungskräfte. Doch damit nicht genug: Seine Herstellung erfolgt bei Raumtemperatur in Wasser, also energieeffizient und ohne giftige Lösungsmittel. Dabei ist der Kunststoff vor seiner Aushärtung frei nach Wunsch formbar – wie Kaugummi. Durch Wasserzusatz kann er außerdem jederzeit wieder in seine „Kaugummi-Form“ überführt werden und ist so beliebig oft durch Umformung rezyklierbar.

Nachhaltigkeit bei Laboranalysen

Reaktionsgefäße komplett aus Rezyklat

Genau so ein Material gibt es tatsächlich – und das bereits seit einigen Jahren. Entwickelt wurde der Kunststoff in der Arbeitsgruppe des Konstanzer Chemikers Helmut Cölfen, die das Material – ein so genanntes Mineralplastik – 2016 vorstellte. Nun haben die Konstanzer Chemiker ihr vielseitiges Material weiter optimiert.

„Bisher haben wir für die Herstellung unseres Mineralplastiks Polyacrylsäure verwendet. Chemisch betrachtet besitzt diese dasselbe Rückgrat wie Polyethylen, welches bekanntermaßen in der Umwelt große Probleme verursacht, weil es kaum biologisch abbaubar ist“, erklärt Cölfen. Das Team um ihn und seine Postdoktorandin Ilesha Avasthi, machten sich daher ans Werk. Sie suchten einen alternativen Grundbaustein, um ein umweltverträgliches Mineralplastik zu entwickeln, das die Eigenschaften des ursprünglichen Materials beibehält. Und sie wurden fündig.

Neue Grundbausteine für nachhaltigeres Polymer

In ihrer aktuellen Publikation stellen die Konstanzer Chemiker nun die nächste Generation ihres Mineralplastiks vor. Anstatt aus erdölbasierten Grundbausteinen wie der Polyacrylsäure besteht dieses aus Polyglutaminsäure. Dieses natürliche Biopolymer ist problemlos in großen Mengen verfügbar und kann sogar nachhaltig gewonnen werden, beispielsweise aus biotechnologischer Produktion durch Mikroorganismen. Darüber hinaus gibt es bereits in der Umwelt eine Vielzahl von Mikroorganismen, die Polyglutaminsäure abbauen können.

„Unser neues Mineralplastik hat dieselben positiven Eigenschaften wie das alte, besitzt jedoch den entscheidenden Vorteil, dass sein Grundbaustein – die Polyglutaminsäure – mithilfe von Mikroorganismen hergestellt werden kann und vollkommen biologisch abbaubar ist“, fasst Cölfen die Weiterentwicklung zusammen.

Tests zur Bioabbaubarkeit erfolgreich

Um den Nachweis zu erbringen, dass diese biologische Abbaubarkeit auch für das neue Mineralplastik selbst und nicht nur für seine Ausgangkomponenten gilt, holten sich die Forscher Unterstützung von David Schleheck und Postdoc Harry Lerner vom Fachbereich Biologie der Universität Konstanz. „Herr Cölfen hat in seinem Labor ein neuartiges Mineralplastik entstehen lassen, und unsere Aufgabe war es nun, es mithilfe von Mikroorganismen wieder verschwinden zu lassen“, sagt Schleheck mit einem Augenzwinkern.

In entsprechenden Abbauversuchen zeigten die Biologen, dass Mikroorganismen, die beispielsweise in Waldböden zu finden sind, bereits nach wenigen Tagen mit der Verstoffwechslung des Mineralplastiks begannen. Nach 32 Tagen hatten die Mikroorganismen den Kunststoff vollständig abgebaut. Es ist den Forschenden also gelungen, das Mineralplastik mit all seinen positiven Materialeigenschaften zusätzlich nachhaltig und sehr gut biologisch abbaubar zu machen.

Originalpublikation: I. Avasthi, H. Lerner, J. Grings, C. Gräber, D. Schleheck & H. Cölfen: Biodegradable Mineral Plastics, Small Methods, First published: 19 July 2023; DOI: 10.1002/smtd.202300575

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