Kunststoffe

Nachhaltige Biokunststoffe - PHB aus C02

PHB (Polyhydroxybutyrat) gilt als besonders vielversprechender Biokunststoff und könnte bis zu 90% der heutigen Poly­propylen-Anwendungen ersetzten. Seit 2015 wird im Unternehmen Lackner Ventures & Consulting GmbH zusammen mit der TU Wien an der Herstellung von PHB aus C02 mithilfe von Cyanobakterien geforscht.

Biokunststoffe sind entweder zumindest teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, und/oder sie sind in bestimm­ten Umgebungen abbaubar. Ausgelobt wird dies beispielsweise durch den Gehalt an or­ganischem Kohlenstoff auf Basis der Radio­carbonmethode, oder durch das Erfüllen der Kriterien der Norm EN13432. Die Verbreitung von Biokunststoffen ist mit einem Marktanteil von geschätzten 2% heute noch relativ gering, erfreut sich aber aufgrund eines gestiegenen allgemeinen Umweltbewusstseins und ste­tig verbesserter Performance der Werkstoffe immer größerer Beliebtheit [l] Gesetzliche Vorgaben sind noch rar. So fehlt es beispielsweise in der EU an Vorschriften für den Ein­satz von Biokunststoffen. Durchgesetzt hat sich bis heute nur ein Verbot konventioneller Kunststoffsäcke < 50 µm in einzelnen Län­dern. Vorreiter sind hier Italien und Frankreich. Ein besonders vielversprechender Biokunst­stoff ist PHB (Polyhydroxybutyrat). PHB wird heute durch die Fermentation von Zucker hergestellt, u.a. von den Firmen Kaneka in Japan, Meridian in den USA und TianAn in China. Kleinere Firmen in Europa sind Bio­mer (Deutschland) und Bio-on (Italien). Die Verkaufspreise von PHB liegen für Großmen­gen bei deutlich >5 €/kg, bedingt durch den aufwändigen Herstellprozess Obgleich die tatsächlich für Biokunststoffe aufgewendete landwirtschaftliche Fläche gering ist, müssen sich aus Stärke bzw. Zucker synthetisierte Materialien immer der gleichen Diskussion um Lebensmittelkonkurrenz wie Biokraftstof­fe der 1. Generation stellen. Dr. Lackner hatte die Vision, die Idee der „Algenbiokraftstoffe“ auf Biokunststoffe zu übertragen. Algen kön­nen die zehnfache Produktivität von Land­pflanzen erreichen. Einige Cyanobakterien sind dafür bekannt, dass sie unter Mangelbedingungen von Stick­stoff und Phosphor anstelle von Glykogen den Stoff Polyhydroxybuttersäure (PHB) als Ener- giespeicherstoff bilden – und dieses PHB kann als Thermoplast eingesetzt werden. Zu­sammen mit der TU Wien wurde von Lackner Ventures & Consulting GmbH ein Verfahren entwickelt, um die Ausbeute an PHB massiv zu steigern. Dabei wurde bewusst auf Gen-technologie verzichtet, zumal gentechnisch veränderte Mikroorganismen nur in geschlos­senen Photobioreaktoren zugelassen werden können, und diese sind heute nur für teure Produkte wie beispielsweise Pigmente und Omega-3-Fettsäuren wirtschaftlich, da sie hohe Investitionen und viel Energie benötigen. Offene Zuchtsysteme sind für Commodities wie Biokraftstoffe oder Biokunststoffe deut­lich besser für eine kostenoptierte Herstellung geeignet.

Es wird geschätzt, dass 90% der heutigen An­wendungen von PP durch PHB ersetzt wer­den können, v.a. auch durch die Herstellung von Copolymeren, deren bekanntester Vertre­ter das PHBV ist (2-3% Valerinsäure). Das Verfahren der PHB-Herstellung mithilfe von Cyanobakterien kann auf abgeschiede- nen Freiflächen, oder auch in der Nähe großer C02 -Emittenten (Verbrennungskraftwerke) eingesetzt werden. Die Aufarbeitung der Bio­masse zu PHB kann mittels Elektroporation und überkritischem Wasser, unter Verzicht auf organische Lösungsmittel, durchgeführt werden. Das patentierte Verfahren (Anmeldung A68/2018) setzt UV-Licht ein, um Cyanobakterien, die von Natur aus PHB bilden können, zu mutieren. Im nächsten Schritt werden die passenden Mutanten ausgewählt und können einer neuerlichen Mutation unterworfen wer­den. Besonders bewährt hat sich der Stamm Synechocystis sp. PCC 6714 [3]. [4]. Nach diesem Verfahren, zusammen mit biopro- zesstechnologischer Optimierung, konnte der PHB-Gehalt mehr als vervierfacht werden, sodass mit dem Stamm eine wirtschaftliche PHB-Produktion erstmalig möglich wird.

Weitere Informationen: [7] Maximilian Lackner, Bioplastics, in: Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Techno­logy, https://doi.org/7 0.7 002/0477238967. koe00006 (2015). [2] Robert Reichardt and Bernhard Rieger, Poly(3-Hydroxybutyrate) from Carbon Mo­noxide, in: Synthetic Biodegradable Polymers, herausgegeben von B. Rieger, A. Künkel, G.W. Coates, R. Reichardt, E. Dinjus, Th.A. Zeva­co, Th.A, Springer, ISBN 978-3-642-277 54-0 (2012). [3] Donya Kamravamanesh, Stefan Pflügl, Winfried Nischkauer, Andreas Limbeck, Maxi­milian Lackner, Christoph Herwig, Photosyn­thetic poly-ß-hydroxybutyrate accumulation in unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6774. AMB Express, 7(7), 743 (2017). [4] Donya Kamravamanesh, Stefan Pflügl, Ta­mas Kovacs, lrina Druzhinina, Paul Kroll, Ma­ximilian Lackner, Christoph Herwig, lncreased poly-beta-hydroxybutyrate production from C02 in randomly mutated cells of cyanob­acterial strain Synechocystis sp. PCC 677 4: mutant generation and characterization, Bio­resource Technology, submitted (2018).

Auszeichnung für das Projekt
Am 7. Mai 2018 wurde das Projekt als Wie­ner Regionalsieger des Energy Globe Awards ausgezeichnet. Der Energy Globe Award zeichnet jährlich herausragende, nachhaltige Projekte mit Fokus auf Ressourcenschonung, Energieeffizienz und Einsatz erneuerbarer Energien aus.

PHB-Gehalt in den Cyanobakterien konnte auf über 30% gesteigert werden
Seit 2015 forscht Maximilian Lackner zusammen mit der TU Wien, in einem von der Wirtschaftsagentur Wien geförderten Projekt, an der Herstellung von PHB aus CO2. Das Verfahren setzt Cyanobakterien ein. Die Laborentwicklungen sind abgeschlossen, und der PHB-Gehalt in den Cyanobakterien konnte auf über 30% gesteigert werden. Der­zeit laufen die ersten Versuche im Pilotmaß­stab.

Energy Globe 2018: Josef Schrott, Wirtschafts­kammer Wien and Maximilian Lackner.
photo: pictures born

Kontakt:
Mag. Franz Filzmoser
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