Biokunststoff, Kunststoffrecycling, Bakterien als Biokunststofffabriken, PFAS

Ein US-Pilotprojekt zur Entwicklung eines modularen Bioverarbeitungssystems für die Herstellung von Biokunststoff aus Lebensmittelabfällen erhält staatliche Förderung in Millionenhöhe. Die Washington University berichtet von zwei Studien zu Purpurbakterien, die natürliche Polymere produzieren können. Wissenschaftler der ETH Zürich haben Grundlagen für die Entwicklung von chemischen Recyclingprozessen erarbeitet. Ein Forscherteam der Universität Surrey startet 2025 ein Pilotprojekt, bei dem Ultraschalltechnologie in Kombination mit biologischem Abbau eingesetzt wird, um PFAS umzuwandeln.
Jeden Monat werden weltweit neue Studien veröffentlicht. Welche neuen Erkenntnisse dabei in Augenoptik, Optometrie und Ophthalmologie gewonnen wurden, fassen wir für Sie in jeder FOCUS-Ausgabe zusammen.

Bei der Suche nach Wegen, die Zukunft nachhaltiger zu gestalten, spielt Plastik eine große Rolle. Zum einen müssen Lösungen für das bestehende Plastikmüllproblem gefunden werden, zum anderen sind alternative Materialien wichtig, um den Berg an nicht abbaubarem Müll nicht noch weiter zu vergrößern. Zu den Stoffen, die im Fokus der Wissenschaft stehen, gehören Polyhydroxyalkanoate (PHA), natürlich vorkommende Biopolyester, die von vielen Bakterien gebildet werden.

Zuschuss in Millionenhöhe für Projekt zur Herstellung von Biokunststoff

Virginia Tech, USA, hat bekanntgegeben, dass ein Projekt von Forschern am College of Agriculture and Life Sciences der Virginia Tech einen Zuschuss des US-Landwirtschaftsministeriums in Höhe von 2,4 Millionen Dollar erhält.

Ziel des ersten Pilotprojekts seiner Art ist die Entwicklung eines erschwinglichen modularen Bioverarbeitungssystems zur Herstellung biologisch abbaubarer Biokunststoffe aus Lebensmittelabfällen sowie seine Machbarkeit und Skalierbarkeit auf nationaler und globaler Ebene zu demonstrieren.

Derzeit bestehen beispielsweise Beschichtungen von Papierprodukten wie Kaffee- oder Eisbecher oft aus Polyethylen oder Polymilchsäure und sind nicht vollständig abbaubar. Der Biokunststoff aus Lebensmitteln soll als umweltfreund­liche, leicht abbaubare Alternative dienen.

Die Forschenden werden Mikroorganismen nutzen, um Lebensmittelabfälle in Fette umzuwandeln, die dann zu Biokunststoffen verarbeitet werden. Wie Virginia Tech berichtet, ähnelt dieses Verfahren der Fermentierung in Mikrobrauereien und gewährleistet, dass die erzeugten Biokunst­stoffe leicht kompostiert werden können, wodurch die durch Mikroplastik verursachte Meeresverschmutzung verringert werden könnte.

Quelle: Virginia Tech

Chemisches Kunststoffrecycling

Wie die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich berichtet, haben Wissenschaftler der Hochschule Grundlagen erarbeitet, die der Wissenschaftsgemeinde Standards für die Entwicklung von chemischen Katalysatoren für den Recyclingprozess bieten.

Ziel des chemischen Recycling ist, die langkettigen Kunststoffmoleküle (Polymere) chemisch in ihre Bausteine (Monomere) zu zerlegen. Zunächst geht es darum, die langen Polymerketten in kürzerkettige Moleküle aufzuspalten, die zum Beispiel als Flüssigtreibstoff oder Schmiermittel verwendet werden können.

Die Forschenden der Gruppe von Javier Pérez-Ramírez, Professor für Katalyse-Engineering, untersuchten die Spaltung von Polyethylen und Polypropylen mit Wasserstoff. Dabei wird der Kunststoff zuerst in einem Stahltank geschmolzen und dann gasförmiger Wasserstoff in die Kunststoffschmelze geleitet. Durch Beifügen eines geeigneten Katalysators erhöhen Chemiker die Effizienz und das Ergebnis der chemischen Reaktion.

Die Forscher fanden heraus, dass auch die Rührtechnik und -geschwindigkeit entscheidend sind. Weiterhin ist es ihnen gelungen, den gesamten Prozess des chemischen Recyclings mit all seinen Parametern in einer mathematischen Formel zu beschreiben, die nun von der Wissenschaftsgemeinde genutzt werden kann, um den Einfluss der Rührer-Geometrie und der Drehzahl präzise zu berechnen. In künftigen Experimenten planen sie, verschiedene Katalysatoren gezielt zu vergleichen.

Die Arbeit wurde in Nature Chemical Engineering veröffentlicht, eine Zusammenfassung der Ergebnisse ist auf der Webseite der ETH zu finden.

DOI: 10.1038/s44286-024-00108-3
Quelle: ETH Zurich

Bakterien als Biokunststofffabriken

Die Washington University (WashU) berichtet auf ihrer Ampersand-Webseite von zwei Studien, die sich mit Purpurbakterien befassen. Eine Studie wies nach, dass diese Bakterien in der Lage sind, Polyhydroxyalkanoate (PHA) zu produzieren, natürliche Polymere, die zur Herstellung von Kunststoffen gereinigt werden können. Die zweite Studie zeigte, dass eine Art von Purpurbakterien der Gattung Rhodomicrobium mit Hilfe von Gentechnik dazu gebracht werden kann, ihre PHA-Produktion stark zu steigern.

Purpurbakterien sind eine Gruppe von anpassungsfähigen Mikroben im Wasser, die Kohlendioxid mit Hilfe von Sonnenenergie in Nahrung umwandeln können. Sie produzieren PHAs und andere Bausteine von Biokunststoffen, um zusätzlichen Kohlenstoff zu speichern.

Die Forscher der WashU berichten, dass die Rhodomicrobium-Bakterien sich von anderen violetten Bakterien stark unterscheiden, insbesondere weil diese Gattung miteinander verbundene Netzwerke bildet, die besonders gut für die Produktion von PHA geeignet zu sein scheinen. Den Wissenschaftlern ist es gelungen, mit Hilfe von Gentechnik große Mengen an PHA aus Rhodopseudomonas palustris TIE-1 herauszuholen, einer gut untersuchten Spezies, die diese Polymere normalerweise nur zögerlich produziert. Zu den angewandten genetischen Veränderungen gehört das Einfügen eines natürlichen Enzyms, RuBisCO, das Pflanzen und Bakterien hilft, Kohlenstoff aus Luft und Wasser zu binden. Die Forscher sind optimistisch, dass ein ähnlicher Ansatz auch mit anderen Bakterien möglich wäre, die in der Lage sein könnten, noch höhere Mengen an Biokunststoffen zu produzieren.

In naher Zukunft will das Labor von Arpita Bose, außerordentliche Professorin für Biologie in Arts & Sciences und korrespondierende Autorin der neuen Studien, die Qualität und die Verwendungsmöglichkeiten der in ihrem Labor hergestellten Polymere genauer betrachten.

Die beiden Arbeiten wurden in den Magazinen Microbial Biotechnology¹ und Applied and Environmental Microbiology² veröffentlicht.

1DOI: 10.1111/1751-7915.14552
2DOI: 10.1128/aem.01438-24
Quellen: Washington University in St. Louis

„SonoBio“-Technologie – Pilotprojekt gegen PFAS

Ein Forscherteam der Universität Surrey, Vereinigtes Königreich, hat von UK Research and Innovation (UKRI) 947.000 Pfund erhalten, um 2025 ein Pilotprojekt zu starten, bei dem Ultraschalltechnologie in Kombination mit biologischem Abbau eingesetzt wird, um gesundheitsschädliches Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) umzuwandeln. Das multidisziplinäre und interdisziplinäre Projekt verbindet Fachwissen aus den Bereichen Chemie, Mikrobiologie, Biochemie und Bioanalyse.

„SonoBio“ ist eine Hybridtechnologie, die Hochfrequenz-­Ultraschall mit der Aktivität von Mikroorganismen kombiniert, um PFAS, die sogenannten ewigen Chemikalien, zu behandeln und in Kohlendioxid und Fluorid umzuwandeln.

Wie die University of Surrey berichtet, lassen sich PFAS mit derzeitigen Methoden nur schwer vollständig abbauen, insbesondere wenn nur biologische Prozesse zum Einsatz kommen. Hochfrequenz-Ultraschall könne PFAS zwar vollständig abbauen, sei aber nur in bestimmten Formen und bei hohen Konzentrationen wirksam. Durch die Entwicklung biologischer Prozesse mit mikrobieller Elektrochemie könne Energie zurückgewonnen und der Prozess nachhaltiger gestaltet werden. Die Forschenden erhoffen sich von „SonoBio“, dass es durch die Kombination von Hochfrequenz-Ultraschall mit (elektro-)mikrobieller Aktivität eine leistungsstarke, nachhaltige Lösung für den vollständigen Abbau und die Entfernung von PFAS aus der Umwelt bietet.

Quellen: University of Surrey