Das Design neuer Biokunststoffe beschleunigen
Neue biobasierte Kunststoffe werden oft als Möglichkeit gesehen, das Ausmaß der Plastikverschmutzung einzugrenzen. Es muss jedoch sichergestellt werden, dass diese neuen Materialien kein neues Umweltproblem darstellen. Im Projekt RenEcoPol(öffnet in neuem Fenster) wurde eine neue Methode vorgestellt, bei der Bioinformatik mit Ökodesign-Strategien kombiniert werden, um den Entwicklungsprozess für neue Polyester zu beschleunigen, die sicher biologisch abbaubar sind und zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden können. Mit Sitz an der Universität Triest(öffnet in neuem Fenster) haben die Forschenden ein Instrument hervorgebracht, um das Verhalten von Monomeren und Enzymen zu simulieren und die besten Kandidaten auszuwählen. „Es werden ständig neue Monomere gemeldet, doch mittels Bioinformatik und automatischen Arbeitsabläufen können wir ihre Eigenschaften einschätzen und die Entwicklung so beschleunigen“, sagt Anamaria Todea, die Hauptforscherin bei RenEcoPol, das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde. Anschließend mussten die Modelle im Labor validiert werden. Dafür hat das RenEcoPol-Team 18 Polyester – ein paar neue, einige bekannte –aus erneuerbaren Quellen in den Größenordnungen 10 g, 15 g und 50 g vorbereitet und vollständig charakterisiert. „Wir haben die enzymatische Synthese von Polyester durchgeführt und hochskaliert. Wir haben mit realen Bedingungen gearbeitet und versucht, Reaktionen in lösungsmittelfreien Systemen oder mit neuen, umweltfreundlichen Lösungsmitteln mit Enzymen in einem umfassend grünen System hervorzurufen“, erklärt Todea.
Biologische Abbaubarkeit im Meer
Anschließend prüften die Forschenden, wie gut biobasierte Polyester sich in der Meeresumwelt abbauen. Insgesamt wurden 25 Proben getestet. Für die Hydrolyse und Zersetzung der Polyester im Wasser verwendete das Team zwei kommerziell erhältliche Enzyme und erreichte eine biologische Abbaubarkeit von bis zu 90 %. „In der Natur gibt es Enzyme, die natürliche Polymere hydrolysieren können. Wir verwendeten andere Enzyme für die Hydrolyse anderer Polymere und nicht nur natürliche“, erläutert Todea. Die neuen Polyester wurden auch auf Ökotoxizität geprüft, indem ihre Auswirkungen auf Mikroalgen und Bakterien untersucht wurden. Laut Todea füllt diese Arbeit zur Ökotoxizität eine Lücke, denn aktuell liegen nicht viele Daten dazu vor, wie biobasierte Polymere und Monomere sich abbauen, insbesondere in einer Meeresumwelt statt im Boden.
Messung der Ökotoxizität
„Es gibt zahlreiche Studien, in denen gezeigt wird, in wie vielen Tagen Kunststoff verschwindet. Aber wie passiert das, und werden dabei Toxine freigesetzt?“, fragt sie. „Diese Daten sind wichtig für das Ökodesign, denn wir müssen von Anfang an wissen, wie sich ein biobasierter Monomer in verschiedenen Medien verhält und ob er für die Synthese ausgewählt werden sollte oder nicht. Ein biobasierter Monomer, der toxisch wirkt, bringt nicht viel“, ergänzt Todea.
Kreislaufwirtschaft
Um den Kreis zu schließen, versuchte das Team, die Monomere, die durch den enzymatischen Abbau der neuen Polyester entstanden sind, zurückzugewinnen. Die Forschenden entwickelten Verfahren für lösliche und unlösliche Monomere und verwendete sie in neuen Reaktionen mit einem Ertrag zwischen 76 % und 90 %. „Mit all diesen Schritten haben wir einen Beitrag zur Bioökonomie geleistet und die Kompatibilität mit der Kreislaufwirtschaft nachgewiesen. Die Ergebnisse sind validiert und können als Anfangspunkt für neue biobasierte Polyester mit vorteilhaften Eigenschaften dienen, zum Beispiel geringe Ökotoxizität, biologische Abbaubarkeit im Meer und enzymatische biologische Abbaubarkeit“, so Todea.
Schlüsselbegriffe
RenEcoPol, biobasierter Polyester, Kunststoff, Polyester, Enzyme, Monomere, Polymere, enzymatische Synthese, Ökotoxizität, biologische Abbaubarkeit, biologische Abbaubarkeit im Meer
