Herstellung von Biokunststoffen
In unserer heutigen Gesellschaft sind Kunststoffe allgegenwärtig. In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage nach Kunststoffen sukzessive gestiegen und erreichte im Jahr 2020 eine weltweite Jahresproduktion von rund 370 Millionen Tonnen [1]. Nur geringe Mengen der bisher produzierten Kunststoffe wurden recycelt, was nicht zuletzt der Grund dafür ist, dass eine zunehmende Umweltverschmutzung durch Kunststoffe zu beobachten ist [2]. Die Anhäufung von Kunststoffen in den Ozeanen und in der Landschaft wird zusätzlich durch die langen Abbauzeiten begünstigt, die in den erwünschten Eigenschaften der Kunststoffe hinsichtlich Beständigkeit und Langlebigkeit begründet ist [3]. Neben der Notwendigkeit einer allgemeinen Abfallreduzierung und des Recyclings unterstreicht die zunehmende Kunststoffverschmutzung den Bedarf an schneller abbaubaren Kunststoffen.
Biokunststoffsynthese-Route von Polylactonen
Sogenannte „biologisch abbaubare“ Kunststoffe erfüllen diese Anforderung mit Abbauzeiträume in der Größenordnung von Monaten. Biologische Abbaubarkeit bedeutet jedoch nicht, dass diese Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, weshalb auch Kunststoffe auf fossiler Basis biologisch abbaubar sein können. Andererseits impliziert der Begriff „biobasierte“ Kunststoffe nicht die biologische Abbaubarkeit der entsprechenden Polymere. [2]
In Hinblick auf eine nachhaltige Bioökonomie sollten Biokunststoffe daher vorzugsweise sowohl biologisch abbaubar als auch biobasiert sein, um nicht nur der Umweltverschmutzung, sondern auch der Klimaerwärmung durch Dekarbonisierung entgegenzuwirken. Bisher macht die weltweite Biokunststoffproduktion jedoch immer noch weniger als ein Prozent der gesamten Produktionskapazitäten von Kunststoffen aus [5]. Dies unterstreicht nicht nur die Notwendigkeit des vermehrten Einsatzes von Biokunststoffen, sondern ebenfalls das Marktpotenzial solcher Polymere.
Ein Vertreter solcher Biokunststoffe sind Polylactone, wie Polybutyrolacton, Polyvalerolacton und Polycaprolacton. Neben dem bisher vorrangigen Einsatz dieser Polymere im medizinischen Bereich ist ebenfalls der Einsatz in der Verpackungsindustrie denkbar [5].
Ausgehend von ihren korrespondierenden Lacton-Monomeren können diese Polyester mittels Ringöffnender Polymerisation (engl. ring opening polymerization, ROP) hergestellt werden. Die Lacton-Monomere wiederum können mithilfe entsprechender Alkoholdehydrogenasen (ADHs) biokatalytisch aus linearen 1,n-Alkandiolen synthetisiert werden, welche aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können.
In diesem Projekt soll die biokatalytische Lacton-Synthese hinsichtlich einer skalierbaren Produktion für nachfolgende chemische Prozessschritte optimiert werden. Neben der Optimierung der Biotransformation steht ebenfalls die Zeit- und Ressourcen-effiziente Selektion und Herstellung geeigneter Biokatalysatoren im okus der Bioprozessentwicklung für eine nachhaltige Biokunststoffherstellung.
[1] Plastics Europe (2021) Plastics-the Facts 2021 An analysis of European plastics production, demand and waste data.
[2] Kim, M.S., Chang, H., Zheng, L., Yan, Q., Pfleger, B.F., Klier, J., Nelson, K., Majumder, E.L.W., and Huber, G.W. (2022) A Review of Biodegradable Plastics: Chemistry, Applications, Properties, and Future Research Needs. Chem. Rev.
[3] Geyer, R., Jambeck, J.R., and Law, K.L. (2017) Production, use, and fate of all plastics ever made. Sci. Adv., 3 (7).
[4] European Bioplastics Conference (2021) Bioplasics Market Development Update 2021.
[5] Thakur, M., Majid, I., Hussain, S., and Nanda, V. (2021) Poly(ε-caprolactone): A potential polymer for biodegradable food packaging applications. Packag. Technol. Sci., 34 (8), 449–461