Mit Enzymen Kunststoffe funktionalisieren

Bestimmung der enzymatischen Aktivität eines bio-funktionalisierten Kunststoffes. Foto: Fraunhofer IAP

Forschern des Fraunhofer IAP ist es gelungen, Enzyme in Kunststoffe so einzubinden, dass sie aktiv bleiben und den Kunststoff funktionalisieren.

Kunststoffe mithilfe von Enzymen im industriellen Maßstab zu funktionalisieren war bislang ein schwieriges Unterfangen. Denn Kunststoffe werden in der Regel bei deutlich über 100 °C verarbeitet, Enzyme aber halten diesen hohen Temperaturen nicht stand. Forschern am Fraunhofer IAP ist es nun gelungen, Enzyme in Kunststoffe einzubauen, ohne dass diese ihre Aktivität bei der Verarbeitung verlieren. Die Potenziale, die sich dadurch ergeben, sind groß.

Vielseitige Funktionalisierung

Materialien, die sich selbst reinigen, die Anti-Schimmel-Oberflächen besitzen oder sich selbst abbauen können, sind nur einige Beispiele dafür, was möglich wird, wenn es gelingt, aktive Enzyme in Kunststoffe einzubinden. Doch damit die enzymspezifischen Eigenschaften auf die Materialien übertragen werden können, dürfen die Enzyme beim Einbau in den Kunststoff nicht geschädigt werden.

Wissenschaftler am Fraunhofer IAP haben hierfür jetzt eine Lösung entwickelt. Mit Blick sowohl auf die Enzyme selbst als auch auf den Verarbeitungsprozess ist die ihnen die Einbindung von aktiven Enzymen gelungen.

Enzyme mit Schutzrüstung

Die Suche nach einer Möglichkeit, die Enzyme zu stabilisieren, führte die Forscher zu anorganischen Trägern. Diese stellen eine Art Schutzrüstung für das Enzym dar. „Wir verwenden anorganische Partikel, die sehr porös sind. Die Enzyme binden an diese Träger, indem sie sich in die Poren einlagern. Auch wenn dadurch die Beweglichkeit der Enzyme eingeschränkt ist, bleiben sie weiterhin aktiv und halten deutlich höheren Temperaturen stand“, erklärt Dr. Ruben R. Rosencrantz, Leiter der Abteilung Biofunktionalisierte Materialien am Fraunhofer IAP.

Rosencrantz betont jedoch, es gebe keinen allgemein gültigen Stabilisierungsprozess: „Jedes Enzym ist anders. Welcher Träger und welche Technologie für dessen Beladung am geeignetsten ist, bleibt enzymabhängig.“

Enzyme in der Kunststoff-Matrix

Die Forschenden suchten bewusst nach einer Möglichkeit, die stabilisierten Enzyme nicht nur auf der Oberfläche des Kunststoffes aufzutragen, sondern sie direkt in den Kunststoff einzuarbeiten. „Dies ist zwar deutlich schwieriger, aber so können auch Abnutzungserscheinungen an der Materialoberfläche der Funktionalität der Kunststoffe nichts anhaben“, erklärt Thomas Büsse, der das institutseigene Technikum in Schwarzheide leitet.

Herstellung einer bio-funktionalisierten Folie im Technikum des Fraunhofer IAP. Foto Fraunhofer IAP

Um bei der Weiterverarbeitung ein optimales Ergebnis zu erhalten, müssen die stabilisierten Enzyme in der heißen Kunststoffschmelze, der sie beigemischt werden, schnellstmöglich verteilt werden, ohne dass dabei die Krafteinwirkung oder die Temperaturen zu hoch werden. Eine Gratwanderung, mit deren Ergebnis Büsse sich zufrieden zeigt: „Wir haben ein Verfahren entwickelt, das sich sowohl für viele Kunststofftypen eignet. Zusätzlich zeigen unsere Untersuchungen, dass stabilisierte Enzyme nach der Einarbeitung in den Kunststoff nochmals höheren thermischen Belastungen gewachsen sind, als sie es vor der Verarbeitung waren. Dies erleichtert den Einsatz der Enzyme und sämtliche weiteren Prozessschritte.“

Selbstreinigung als erste Funktionalisierung

Bisher haben sich die Forscher am Fraunhofer IAP, was die Wahl des Enzyms betrifft, vor allem mit Proteasen beschäftigt. Diese können andere Eiweiße spalten. Der mit ihnen funktionalisierte Kunststoff erhält dadurch eine selbstreinigende Wirkung.

So könnten bspw. Rohre weniger leicht zuwachsen oder verstopfen. Aber auch andere Enzyme werden systematisch getestet. Kooperationspartner an der BTU Cottbus-Senftenberg setzen sich beispielsweise verstärkt mit Enzymen zum Kunststoffabbau und zum Abbau von giftigen Substanzen auseinander.

Erste funktionalisierte Kunststoffgranulate, Folien und Spritzgusskörper wurden bereits hergestellt. Dass die darin eingearbeiteten Enzyme weiterhin aktiv sind, haben die Forscher nachgewiesen. Im nächsten Schritt wird nun die Alltagstauglichkeit in verschiedenen Anwendungen getestet und weiter optimiert.

Rosencrantz und Büsse sind optimistisch – und haben nun auch eine Patentanmeldung auf ihre Forschung eingereicht. Ihre Arbeit haben sie im Rahmen des Projekts „Biofunktionalisierung/Biologisierung von Polymermaterialien Biopol“ in Kooperation mit der BTU Cottbus-Senftenberg durchgeführt.

mg