Von Seide inspirierte „Plantymere“ als biologisch abbaubarer Kunststoff
Was wäre, wenn wir Kunststoff aus Pflanzen herstellen könnten? Ein Forscherteam aus den Niederlanden und China stellt „Plantymere“ vor – Kunststoffe, die nachhaltig aus Pflanzenproteinen hergestellt werden und sich in der Umwelt auf natürliche Weise zersetzen.
Diese Erfindung behebe die beiden größten Nachteile herkömmlicher Kunststoffe.
Nur wenige Materialien können mit Kunststoffen mithalten. Sie seien bemerkenswert vielseitig, kostengünstig, wasserabweisend, leicht und langlebig. Daher kommen Kunststoffe überall zum Einsatz: von Verpackungen über das Gesundheitswesen bis hin zu Bauwesen, Textilien, Möbeln und Elektronik.
Leider werden herkömmliche Kunststoffe aus Erdöl gewonnen und sind nicht biologisch abbaubar. Ihre Herstellung und die Verbrennung am Ende ihrer Lebensdauer tragen zum Klimawandel bei. Kunststoff stelle zudem einen langlebigen Schadstoff dar, der verheerende Auswirkungen auf die Tierwelt habe, und Mikroplastik reichere sich in der Nahrungskette an, wobei die gesundheitlichen Auswirkungen auf den Menschen noch unklar seien. Die Verschmutzung durch Kunststoff wird von der Europäischen Umweltagentur und dem Umweltprogramm der Vereinten Nationen als bedeutendes Problem anerkannt.
Hier kommen „Plantymere“ ins Spiel, die aus pflanzlichen Proteinen hergestellt werden, die zu Fasern oder Folien versponnen oder geschert werden. Die Herstellung von Plantymeren ähnele der Art und Weise, wie Spinnen Seidenfasern produzieren. Da Plantymere aus natürlichen Proteinen bestehen, seien sie biologisch abbaubar. Dies stehe im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, die aus miteinander verflochtenen, nicht biologisch abbaubaren Kohlenwasserstoffketten bestehen.
„Wir zeigen, dass die Fasern und Folien, die wir mit dieser Methode herstellen, stark genug sind, um mit Kunststoffen auf fossiler Basis zu konkurrieren, und sich beispielsweise sofort für Obstverpackungen eignen“, sagt Xiufeng Li von der Landwirtschaftlichen Universität Nanjing, der das Forschungsteam leitete.
Li arbeitete eng mit Yijie Wang von der Jiangnan-Universität zusammen, einem Gastwissenschaftler an der Wageningen University & Research (WUR), sowie mit Wangs Betreuern in den Niederlanden, Renko de Vries (WUR) und Joshua Dijksman von der Universität Amsterdam.
Wie man ein Plantymer herstellt
Grundsätzlich lassen sich Plantymere aus verschiedenen Pflanzenproteinen herstellen. Für diesen ersten Nachweis verwendete das Forschungsteam das Maisprotein Zein. In seiner reinen Form ist Zein klar, geruchlos, geschmacksneutral, wasserunlöslich und essbar und finde bereits vielfältige industrielle und lebensmitteltechnische Anwendungen.
Der Schlüssel zur Herstellung eines Plantymers liege darin, den richtigen Weg zu finden, um die Proteine aufzulösen und sie für die Umwandlung in eine Faser oder einen Film vorzubereiten. Da Zein sich nicht in Wasser löst, löste das Forschungsteam es zunächst in einer 80-%-igen Ethanollösung auf. Sobald das Protein aufgelöst war, fügten sie der Mischung zusätzliches Wasser hinzu, bis die Lösung nur noch etwa 47 % Ethanol enthielt.
Da Zein wasserabweisend bleibe, bilde es in der Flüssigkeit proteinreiche Tröpfchen. Diese proteinreiche Flüssigkeit wird als „Koazervatphase“ bezeichnet und lässt sich vom wasserreichen Lösungsmittel abtrennen. Die Koazervatflüssigkeiten können dann zu einer kunststoffähnlichen Faser oder Folie versponnen oder geschert werden.
Derselbe Prozess finde auch in der Natur statt: Spinnen nutzen eine ähnliche proteinreiche Flüssigkeit, um ihre Seide zu spinnen. Dijksman merkt an: „Der Prozess des Faserspinnens ist erstaunlich einfach: Man lässt einfach eine kleine Menge der Lösung aus einer Düse tropfen. Durch das Tropfen entsteht ein fließender Faden, der sofort trocknet und zu einer Faser wird. Und um eine Folie herzustellen, müssen wir die Flüssigkeit lediglich über eine Oberfläche streichen.“
Das Team untersucht nun, welche anderen Proteine aus Nebenprodukten der Lebensmittel- und Agrarindustrie zur Herstellung von Plantymers verwendet werden könnten. Dieses Konzept, Abfall in Wert zu verwandeln, wird nun auch kommerziell umgesetzt, was durch die Zusammenarbeit mit dem Start-up-Unternehmen Upgrade Biopolymers deutlich wird.
