{{{sourceTextContent.title}}}

Enzyme erfolgreich in Kunststoffe eingebettet

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

In der Regel werden Kunststoffe bei weit über hundert Grad Celsius verarbeitet. Enzyme hingegen halten diese hohen Temperaturen meist nicht aus. Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP ist es gelungen, diese Widersprüche in Einklang zu bringen: Sie sind in der Lage, Enzyme in Kunststoffe einzubetten, ohne dass die Enzyme dabei ihre Aktivität verlieren. Die Potenziale, die sich daraus ergeben, sind enorm.

{{{sourceTextContent.description}}}

Materialien, die sich selbst reinigen, Anti-Schimmel-Oberflächen haben oder sogar selbst abbaubar sind, sind nur einige Beispiele dafür, was möglich sein wird, wenn es gelingt, aktive Enzyme in Kunststoffe einzubetten. Damit die enzymspezifischen Eigenschaften auf die Materialien übertragen werden können, dürfen die Enzyme bei der Einbettung in den Kunststoff aber keinen Schaden nehmen. Eine Lösung für dieses Problem haben Wissenschaftler des Fraunhofer IAP im Rahmen des Projekts "Biofunktionalisierung/Biologisierung von Polymermaterialien BioPol" entwickelt. Seit Sommer 2018 läuft das Projekt in Kooperation mit der BTU Cottbus-Senftenberg. Das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg fördert das Projekt.

"Es war von Anfang an klar, dass es uns nicht darum ging, biofunktionalisierte Kunststoffe im Labormaßstab herzustellen. Wir wollten einen Riesenschritt machen und zeigen, dass eine technische Produktion möglich ist", fasst Dr. Ruben R. Rosencrantz, Abteilungsleiter "Biofunktionalisierte Werkstoffe und (Glyko)Biotechnologie" am Fraunhofer IAP, die ehrgeizigen Projektziele zusammen. Etwa zur Halbzeit des Projekts zeichnen sich bereits große Durchbrüche ab: Die Einbettung von Enzymen ist gelungen, sowohl was die Enzyme selbst als auch was die Verarbeitungstechnik betrifft.

Auf der Suche nach einem Weg, die Enzyme zu stabilisieren, setzen die Forscher anorganische Träger ein. Diese Träger fungieren als eine Art Schutz für das Enzym. Wie Rosencrantz erklärt: "Wir verwenden zum Beispiel anorganische Partikel, die hochporös sind. Die Enzyme binden an diese Träger, indem sie sich in die Poren einbetten. Das schränkt zwar die Beweglichkeit der Enzyme ein, aber sie bleiben aktiv und können viel höhere Temperaturen aushalten."

Rosencrantz betont allerdings, dass es kein allgemein gültiges Stabilisierungsverfahren gibt: "Kein Enzym ist wie das andere. Welcher Träger und welche Technologie für den Einbettungsprozess am besten geeignet ist, bleibt enzymspezifisch."

Die Forscher suchten bewusst nach einem Weg, die stabilisierten Enzyme nicht nur auf die Oberfläche des Kunststoffs aufzubringen, sondern sie direkt in den Kunststoff einzubetten. "Diese Technik ist zwar deutlich schwieriger, verhindert aber auch, dass Verschleißerscheinungen an der Materialoberfläche die Funktionalität der Kunststoffe beeinträchtigen", erklärt Thomas Büsse, der das Verarbeitungstechnikum für Biopolymere des Instituts in Schwarzheide leitet.

Um im nachgeschalteten Prozess ein optimales Materialergebnis zu erzielen, müssen sich die stabilisierten Enzyme möglichst schnell in der heißen Kunststoffschmelze, der sie zugesetzt werden, verteilen, ohne dass sie zu viel Kraft oder zu hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Ein Spagat, der für Büsse aufging: "Wir haben ein Verfahren entwickelt, das sowohl für Biokunststoffe als auch für die herkömmlichen erdölbasierten Kunststoffe wie Polyethylen geeignet ist. Unsere Untersuchungen zeigen auch, dass die stabilisierten Enzyme, einmal in den Kunststoff eingebettet, höheren thermischen Belastungen standhalten als bisher. Das macht den Einsatz der Enzyme und alle Prozessschritte deutlich einfacher."

Bislang haben die Forscher am Fraunhofer IAP vor allem Proteasen als Enzym der Wahl evaluiert. Proteasen sind in der Lage, andere Proteine zu spalten. Das verleiht dem durch diese Proteasen funktionalisierten Kunststoff einen Selbstreinigungseffekt. Rohre zum Beispiel würden sich nicht mehr so leicht verschließen oder verstopfen. Aber auch andere Enzyme werden systematisch getestet. Die Kooperationspartner an der BTU Cottbus-Senftenberg nehmen zum Beispiel Enzyme zum Abbau von Kunststoffen und toxischen Stoffen genauer unter die Lupe.

Erste funktionalisierte Kunststoffgranulate, Folien und Spritzgusskörper wurden bereits hergestellt. Die Forscher haben festgestellt, dass die in diese Produkte eingebetteten Enzyme aktiv bleiben. Der nächste Schritt ist nun, das Verfahren für den täglichen Einsatz in verschiedenen Anwendungen zu testen und weiter zu optimieren. Rosencrantz und Büsse sind optimistisch - und haben ihre Forschung auch zum Patent angemeldet.