Die Chemie des Bioplastiks

Chemisch gleich, aber bio

Doch Pflanzenrohstoffe lassen sich auch anstelle von Erdöl zur Produktion bereits bekannter Kunststoffe nutzen. Auf diese Weise hergestellte Biokunststoffe sind mit ihren Pendants aus Erdöl chemisch identisch und haben die gleichen Eigenschaften. In der Chemiebranche bezeichnet man das Einbringen von Biorohstoffen in bestehende Produktionsprozesse als „Drop-in“. „Die heutigen Kunststoffe aus Erdöl hat man über viele Jahrzehnte optimiert – das sind Hochleistungswerkstoffe, die sich nicht mal so eben durch ganz neue Biomaterialien austauschen lassen“, sagt Christoph Wittmann, Professor für Biotechnologie an der Universität des Saarlandes in Saarbrücken.

Wie das Drop-in funktioniert, zeigt das Beispiel Polyethylen (PE), der weltweit am meisten produzierte Kunststoff. Aus Polyethylen werden Plastikflaschen und -kanister, Folien sowie Spielzeugartikel hergestellt. PE setzt sich aus vielen identischen Ethylen-Bausteinen zusammen, die man normalerweise aus Erdöl gewinnt. Sie lassen sich aber auch aus Bio-Alkohol, also Bio-Ethanol, synthetisieren. Dieser stammt beispielsweise aus Zuckerrohr.

Mit 14 Prozent hat Bio-PE den dritthöchsten Anteil an den weltweit 2,2 Millionen Tonnen Biokunststoffen, die jährlich produziert werden. Nur die Polymilchsäure (PLA) und Mischungen aus Pflanzenstärke werden in noch größeren Mengen hergestellt. „Viele Kunststoffverarbeiter haben heute bereits biobasierte Alternativen wie Bio-PE oder auch Bio-PET im Regal liegen, für den Fall, dass Kunden danach fragen“, sagt Nico Arbeck von der Beratungsagentur CARMEN in Straubing, die auf nachwachsende Rohstoffe spezialisiert ist. In der Regel seien diese Alternativen allerdings ein wenig teurer als Plastik, das aus Erdöl hergestellt wurde. Denn die Erdöl-Produktionsschiene sei schon lange auf Effizienz getrimmt worden, die Bio-Herstellung hingegegen noch nicht.

Bakterien als Rohstoff-Fabrik

Viele Biokunststoffe werden mithilfe von Bakterien hergestellt, was vergleichsweise aufwändig ist. Die Mikroorganismen werden dabei biotechnisch so verändert, dass sie bestimmte Substanzen in größerer Menge produzieren – etwa Polyhydroxyalkanoat (PHA), das sich für Plastikflaschen nutzen lässt. PHA ist ein natürliches Polymer, das im Stoffwechsel lebender Zellen wichtige Funktionen übernimmt. Die biotechnisch veränderten Mikroben stellen sehr viel davon her. Allerdings ist die Produktion teuer, weil man die PHA-Moleküle aus den großen Behältern, den Fermentern, in denen die Mikroben gehalten werden, mit viel Aufwand herausfischen muss. „Damit der Biokunststoff wirklich konkurrenzfähig wird, müssen diese Prozesse effizienter werden“, sagt Nico Arbeck: „etwa indem sie im Durchfluss kontinuierlich Kunststoff-Moleküle produzieren.“

Wie schnell sich die Biokunststoffe durchsetzen, hängt aber nicht nur von der effizienten Produktion ab. Entscheidend ist auch, woher die nachwachsenden Rohstoffe kommen. Bakterien werden bislang meist mit Zucker gefüttert. Doch Zucker ist ein Nahrungsmittel. Wollte man daraus künftig viele Millionen Tonnen Kunststoff herstellen, ginge viel Ackerfläche verloren. Für den Biotechnologen Christoph Wittmann sind Bio-Abfälle eine vielversprechende Alternative. Er setzt vor allem auf das Lignin. „Pro Jahr fallen in der Landwirtschaft sowie der Holz- und Papierindustrie rund 200 Millionen Tonnen Lignin-Abfall an. Das ist eine Größenordnung, wie wir sie für die weltweite Kunststoffproduktion brauchen.“

In seinen Saarbrücker Labors zerlegt Wittmann das Lignin zunächst chemisch in kleinere Molekül-Bausteine, um damit anschließend seine Bakterien zu füttern. Aktuell arbeitet er unter anderem mit Bakterien, die daraus Mukonsäure herstellen, eine wichtige Drop-in-Chemikalie für die Synthese von Bio-PET und Bio-Nylon. Künftig will er die Palette biotechnisch veränderter Bakterien erweitern, um noch andere chemische Substanzen zu gewinnen. Er setzt dabei vor allem auf Corynebacterium glutamicum, das bereits seit 60 Jahren erforscht wird. Anfangs produzierte diese Mikrobe den Geschmacksverstärker Glutamat. Heute gibt es verschiedene Varianten des Corynebakteriums, mit denen sich rund 80 verschiedene Substanzen herstellen lassen. Der Saarbrücker Forscher bringt ihm jetzt bei, die Lignin-Bausteine in wertvolle Chemikalien zu verwandeln.

Bio-Dübel aus dem Saarland

Kunststoff aus Bakterien? Klingt das nicht sehr nach Grundlagenforschung? „Das täuscht“, sagt Wittmann. Schon vor zehn Jahren ist es ihm und seinen Mitarbeitern gelungen, mithilfe von Bakterien Bio-Polyamid herzustellen. Dafür benötigt man vor allem zwei Zutaten: Diaminopentan und Sebazinsäure. Das Team brachte die Bakterien dazu, das Diaminopentan zu synthetisieren. Die Sebazinsäure extrahierten die Saarländer aus Rizinusöl. Zusammen mit mehreren großen Firmen baute Christoph Wittmann innerhalb von nur drei Jahren eine kleine Produktionskette auf – vom Rizinusöl und von der mikrobiellen Diaminopentan-Synthese bis zum fertigen Produkt: Wanddübel aus Bio-Polyamid. „Die Geschwindigkeit, mit der wir es bis zum marktreifen Produkt geschafft haben, hat die Industriepartner begeistert“, freut sich der Wissenschaftler.

Die Dübel kamen in den Handel. Doch weil sie teurer als herkömmliche waren, blieben sie ein Spezialprodukt. „Wie schnell wir in Deutschland künftig biobasierte Kunststoffe auf dem Markt etablieren können, ist vor allem eine Frage des Willens – und nicht zuletzt auch der politischen Unterstützung“, sagt Wittmann. „Die erforderliche Technik ist längst vorhanden.“