Strategien der Müllvermeidung 07.06.2021, 07:00 Uhr

Kunststoffe länger verwenden – mit einem biologischen Trick

Oft werden Gegenstände aus Kunststoffen nur entsorgt, weil sie verschmutzt sind. Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft wollen das ändern. Sie zeigen, wie sich Oberflächen vielleicht schon bald biologisch selbst reinigen.

Kunststoffe werden als Folie verarbeitet.

Fraunhofer-Forschern ist es gelungen, Enzyme in Kunststoffe – hier eine Folie im Verarbeitungstechnikum – zu integrieren.

Foto: Fraunhofer IAP

Im Jahr 2019 entstanden bundesweit zirka 6,28 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle, berichtet das Umweltbundesamt (UBA). Der Großteil, nämlich 85,2%, entfiel auf sogenannte Post-Consumer-Abfälle, sprich Müll durch private oder gewerbliche Endverbraucher. Nur 14,8% ließen sich der industriellen Herstellung und der Verarbeitung von Kunststoffen zuordnen.

Vom gesamten Volumen an Kunststoffmüll wurden 2,93 Millionen Tonnen, also 46,6%, werk- und rohstofflich verarbeitet. Weitere 3,31 Millionen Tonnen (52,8%) landeten bei der energetischen Verwendung, oft in Müllverbrennungsanlagen, in Heizkraftwerken oder auch in Zementwerken. Weitere 40.000 Tonnen (0,6%) wurden deponiert oder in Anlagen ohne großen Energiegewinn verbrannt. Die Zahlen zeigen: Beim nachhaltigen Einsatz von Kunststoffen gibt es erheblich Luft nach oben. Oft landen Gegenstände im Abfall, obwohl sie nur verschmutzt sind.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP haben eine Lösung entwickelt. Ihnen ist es gelungen, biologisch aktive Enzyme in Kunststoffe zu integrieren. Die innovativen Werkstoffe reinigen sich je nach verwendetem Enzym selbst, wirken der Schimmelbildung entgegen oder beschleunigen den Abbau des Materials bei biologisch abbaubaren Kunststoffen.

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Empfindliche Enzyme schützen und in Kunststoffe einbetten

Die Idee, Enzyme in technologischen Prozessen einzusetzen, ist nicht neu. Beispielsweise nutzen Lebensmittel- oder Arzneimittel-Hersteller Biokatalysatoren seit langer Zeit bei unterschiedlichen Vorgängen. Bei der Funktionalisierung von Kunststoffen gab es bislang ein Problem: Enzyme sind Biokatalysatoren, die aus Proteinen bestehen. Viele von ihnen arbeiten bei Temperaturen zwischen 35 und 40 Grad Celsius optimal; einzelne Enzyme auch noch im Bereich von 70 Grad. Höhere Temperaturen führen dazu, dass diese Makromoleküle zerstört, sprich denaturiert, werden. Ihre Raumstruktur verändert sich irreversibel. Damit gehen auch ihre katalytischen Eigenschaften verloren. Kunststoffe werden bei Temperaturen deutlich über 100 Grad verarbeitet. Diesen Schritt überleben eingebettete Enzyme nicht.

Wie könnte dies trotzdem gelingen? Die Wissenschaftler arbeiten mit einem Trick. „Wir verwenden beispielsweise anorganische Partikel, die sehr porös sind“, berichtet Ruben R. Rosencrantz. Er ist Leiter der Abteilung Biofunktionalisierte Materialien und (Glyko)Biotechnologie am Fraunhofer IAP. Enzyme binden an diese Trägermaterialien. Sie lagern sich in Poren ein und werden so geschützt. „Auch wenn dadurch die Beweglichkeit der Enzyme eingeschränkt ist, bleiben sie weiterhin aktiv und halten deutlich höheren Temperaturen stand“, fasst Rosencrantz zusammen. Doch Patentrezepte gibt es nicht. Für jedes Enzym müssen Forscher geeignete anorganische Träger suchen.

Im Fokus der Untersuchungen standen zunächst Proteasen. Diese Enzyme spalten Eiweiß-haltige Verunreinigungen. Andere Biokatalysatoren, etwa Lipasen zur Zersetzung von Fetten oder spezielle Enzyme zum Abbau giftiger Verunreinigungen, lassen sich auf ähnliche Weise in Kunststoffe integrieren.

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Herausforderungen beim Verarbeitungsprozess der Kunststoffe

Zu der Strategie gehörte nicht nur, Biokatalysatoren oberflächlich einzubetten. Vielmehr wollte die Arbeitsgruppe am Fraunhofer IAP auch zeigen, dass sich Enzyme auf anorganischen Trägern auch direkt in Kunststoffe einarbeiten lassen. Dies hat einen entscheidenden Vorteil. Befinden sich die bioaktiven Stoffe im Inneren eines Materials, werden sie mechanisch weniger stark abgenutzt. Durch die Poren der Träger ist ein Stoffaustausch dennoch möglich.

Um biofunktionale Materialien zu erhalten, wurden die stabilisierten Enzyme der Kunststoffschmelze beigemischt. Ziel dieses Teilschritts war, mechanische Kräfte gering zu halten. Außerdem sollten die Temperaturen nicht zu hoch sein. Das Verfahren funktionierte sowohl bei Erdöl-basierten Kunststoffen als auch bei Materialien auf biologischer Grundlage. Nach der Einarbeitung waren die untersuchten Enzyme thermisch sogar noch stabiler als zuvor.

„Dass es uns nicht um die Produktion von biofunktionalisierten Kunststoffen im Labormaßstab geht, war von Anfang an klar“, erklärt Rosencrantz. „Wir wollten direkt groß einsteigen, um zu zeigen, dass die technische Herstellung möglich ist.“ Eine Patentanmeldung wurde bereits eingereicht. Bei Experimenten im Verarbeitungstechnikum entstanden funktionalisierte Kunststoffgranulate, Folien und Spritzgusskörper. In allen Proben waren die eingebetteten weiterhin biologisch aktiv. Jetzt wollen die Forscher herausfinden, wie alltagstauglich ihre Materialien sind – und wo eventuell noch Optimierungsbedarf besteht. Das werden weitere Untersuchungen in den nächsten Monaten zeigen.

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Von Michael van den Heuvel

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