Durch gezielte Nährstoffzufuhr in Bioreaktoren werden Bakterien dazu gebracht, vermehrt den Bio-Kunststoff Polybuttersäure zu produzieren.

Bild: iStock, AndreasReh

Müllinseln schrumpfen lassen Wie Bakterien dabei helfen, biologisch abbaubaren Kunststoff herzustellen

29.10.2018

Kunststoffe sind aus dem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Die Auswirkungen sind jedoch fatal, wenn sie in die Kreisläufe der Umwelt gelangen. Professor Dr. Stephanie Stute von der Fakultät Verfahrenstechnik der TH Nürnberg forscht an biobasiert hergestellten Kunststoffen, die biologisch abbaubar sind. Die Staedtler-Stiftung fördert das Projekt mit 40.000 Euro.

Kunststoffe finden sich in allen Lebensbereichen. Für die Herstellung verbraucht die Industrie wertvolle Ressourcen wie Erdöl. Besonders problematisch ist die Verwendung von Kunststoffen für Verpackungen mit einmaliger Nutzung. Der Plastikmüll landet oft in der Umwelt.

Ein Resultat daraus ist die größte Müllinsel im Pazifik, die 80.000 Tonnen Plastik umfasst und mit 1,6 Millionen Quadratkilometern mehr als viermal so groß wie Deutschland ist. Das Folgenschwere daran ist, dass beispielsweise PET-Flaschen rund 450 Jahre brauchen, bis sie im Wasser zerfallen und als Mikroplastik auf den Meeresgrund sinken.

Polybuttersäure wirtschaftlicher herstellen

Die Bundesregierung zählt in ihrer Hightech-Strategie 2020 für Deutschland. Ideen. Innovation. Wachstum. die Biotechnologie zu den Schlüsseltechnologien für eine zukunftsfähige deutsche Wirtschaft. Vor diesem Hintergrund forscht Professor Dr. Stephanie Stute von der Fakultät Verfahrenstechnik an der TH Nürnberg an biologisch abbaubaren Kunststoffen. In ihrem Projekt Biobasierte Herstellung des biologisch abbaubaren Bio-Kunststoffes Polybuttersäure entwickelt sie ein kontinuierliches und damit wirtschaftlicheres Herstellungsverfahren für den Bio-Kunststoff Polybuttersäure (PHB).

„Die Polybuttersäure ist ein farbloser Polyester und gilt als vielversprechendster Ersatz für petrochemische Polymere. Bisher sind die Herstellungskosten für diesen Bio-Kunststoff sehr hoch, weshalb die Industrie ihn noch nicht im großen Maßstab einsetzt“, so Stute. Das derzeitige Herstellungsverfahren von Polybuttersäure durch Bakterien kann hinsichtlich der Produktivität noch deutlich verbessert werden.

Bakterien Nährstoffmangel aussetzen

Viele Bakterienarten lagern PHB als Speicherstoff in ihren Zellen ein. Um den Stoffwechselprozess der Bakterien bei der PHB-Synthese im großen Maßstab nutzen zu können, ist es erforderlich, für die Anzucht der benötigten Bakterienzellen und für die nachfolgende PHB-Produktion unterschiedliche Prozessbedingungen technisch zu realisieren. „Eine rasche Zellteilung und das damit verbundene mikrobiologische Wachstum sind nur bei einer optimalen Versorgung der Bakterienzellen mit Nährstoffen und Sauerstoff möglich. Für die Einlagerung von Polybuttersäure benötigen die Bakterien allerdings Mangelbedingungen“, erklärt Stute.

Der neue Ansatz basiert auf zwei hintereinandergeschalteten Bioreaktoren, die kontinuierlich unter Zulauf von Nährstoffen betrieben werden. In der ersten Stufe herrschen optimale Wachstumsbedingungen. In der zweiten Stufe wird gezielt ein Nährstoffmangel eingestellt, sodass die Einlagerung von PHB in den Bakterien beginnt und durch den Zulauf ausgewählter Nährstoffe verstärkt wird. Die Bakterien bilden so große Mengen des Produkts.

Am Auslauf des zweiten Bioreaktors trennt das Team von Professor Dr. Stute die Bakterienzellen vom Nährmedium ab und bereitet das Produkt PHB aus den Bakterienzellen auf. Das Bakterium C. necator lagert beispielsweise PHB von bis zu 80 Prozent der Biotrockenmasse ein und bietet damit das Potenzial zur Massenproduktion.

Produktionskosten dezimieren

Die Kosten für die benötigten Rohstoffe können einen Großteil der Gesamtkosten betragen, sodass die Nutzung von kostengünstigen industriellen Restströmen von großem Interesse ist. Pro Tonne hergestelltem Biodiesel entstehen etwa 100 kg Rohglycerin, das die Industrie in Deutschland häufig nur gegen niedriges Entgelt verkaufen kann oder sogar kostenpflichtig entsorgen muss. Das Rohglycerin steht daher in ausreichender Menge zur Verfügung und hat das Potenzial, die Produktionskosten des Bio-Kunststoffs erheblich zu reduzieren.

Prof. Dr. Stephanie Stute generiert auf der Basis dieses Reststoffs ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für PHB, um dadurch biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe zu produzieren. Das Projekt „Biobasierte Herstellung des biologisch abbaubaren Bio-Kunststoffes Polybuttersäure“ wird mit 40.000 Euro von der Staedtler-Stiftung gefördert und markiert den Startpunkt der Forschungsarbeiten im Fachgebiet Bioverfahrenstechnik an der TH Nürnberg, die einen Beitrag zu einer nachhaltigen und wissensbasierten Wirtschaftsform leisten sollen.

Bildergalerie

  • Ein Bioreaktor in Betrieb.

    Bild: Oliver Kussinger, TH Nürnberg

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