Bioplastik nach Maß

News: Bioplastik nach Maß

Viele Bakterien speichern Kohlenstoff in Form plastikähnlicher Verbindungen, so genanntem Bioplastik, der biologisch abbaubar ist. Doch die Ausbeute ist oftmals zu gering, um das neue Material auf seine mechanischen Eigenschaften zu testen, geschweige denn industriell herzustellen. Forscher haben nun ein Prinzip von Zuchtbedingungen gefunden, das nicht nur die Ausbeute erhöht, sondern auch die Zusammensetzung des Bioplastiks kontrollieren lässt.

Wenn Bakterien in einer Nährlösung baden, die ihnen Kohlenstoff nach Belieben liefert, speichern sie diesen oft in Form plastikähnlicher Verbindungen, so genannter Polyhydroxyalkanoate (PHA). Diese sind wie konventioneller Plastik Wasser abstoßend und – je nach Zusammensetzung – elastisch, haben aber den Vorteil, biologisch abbaubar zu sein.

Voraussetzung, dass die Bakterien die Kohlenstoffverbindungen nicht einfach zur Vermehrung brauchen, ist der Mangel an einem wichtigen Nährstoff, zum Beispiel Stickstoff. Damit Bakterien jedoch eine brauchbare Menge Bioplastik anhäufen, muss ihre Nährlösung zu Beginn eine recht große Menge Kohlenstoff, zum Beispiel in Form von langkettigen Fettsäuren, enthalten. Dies wiederum bekommt den Bakterien nicht; ihre Hüllen werden von den aggressiven Fettsäuren aufgelöst, und die Kulturlösung schäumt extrem.

Das Wachstumsverhalten der Plastik bildenden Bakterien haben nun Thomas Egli von der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (EAWAG) und Bernard Witholt vom Institut für Biotechnologie der ETH Zürich mit ihren Mitarbeitenden im Rahmen des Schwerpunktprogramms Biotechnologie genau analysiert und dabei einen Wachstumszustand gefunden, der optimale Zuchtbedingungen bietet: den Zustand, in dem nicht nur der Stickstoff, sondern auch der Kohlenstoff knapp ist. In dieser Phase bilden die Bakterien nicht nur die größtmögliche Menge Bioplastik, sie sind auch nicht wählerisch, wenn ihnen verschiedene Kohlenstoffverbindungen verfüttert werden. Sie nehmen die Verbindungen ihrer Häufigkeit entsprechend auf und lagern sie ein. So können PHAs mit unterschiedlichen und standardisierten Zusammensetzungen hergestellt werden. Dieses Prinzip der mehrfachen Nährstofflimitierung lässt sich wahrscheinlich nicht nur zur Produktion von Bioplastik nutzen, sondern auch in vielen anderen biotechnologischen Prozessen anwenden, in denen mit Hilfe von Mikroorganismen Produkte, wie z.B. Antibiotika, hergestellt werden.

Damit sowohl Kohlenstoff wie auch Stickstoff über eine längere Phase in derselben – tiefen – Konzentration vorhanden sind, verwenden die Forscher einen Bioreaktor, dem kontinuierlich Nährlösung und separat Kohlenstoff- und Stickstoffquellen zugeführt werden. Die überschüssigen Bakterien mit dem angesammelten Plastik werden abgeschöpft und in Eis gekühlt, damit sie die PHA nicht wieder zum Überleben verbrauchen. Die Gewinnung des Bioplastiks ist dann ein Leichtes: Die Zellen werden gefriergetrocknet und das Plastik mit Hilfe eines Lösungsmittels herausgelöst. Wird das Lösungsmittel dann abgedampft, so bleibt Bioplastik übrig – in reinster Form.

Anwendungsmöglichkeiten des PHA-Bioplastiks bietet vor allem die Medizin. Im Gegensatz zu anderen Substanzen mit ähnlichen Eigenschaften können PHA nämlich mit großer Reinheit hergestellt werden, was ihre Abbaubarkeit und Verträglichkeit im menschlichen Körper verbessert. So könnte der Bioplastik beispielsweise als künstliche Blutgefäße, Faden für Wundverschlüsse, Knochenprothesen oder gar als sich langsam auflösendes Medikamentendepot zum Einsatz kommen.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 18.5.1999
"Langsamer Start der industriellen Biotechnologie"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 23.10.1997
"Biologischer Kunststoff von Bakterien"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)