Die Umweltverschmutzung durch Kunststoffprodukte stellt eine der signifikantesten Herausforderungen unserer Zeit dar. Kunststoffe sind aufgrund ihrer vielfältigen Einsatzgebiete allgegenwärtig. Jährlich werden weltweit über 400 Millionen Tonnen Kunststoff produziert, mit einer weiterhin stark steigenden Tendenz. Sowohl Kunststoffe als auch Klebstoffe werden aus fossilen Brennstoffen hergestellt, was zu einem Anstieg des CO2-Gehalts in der Atmosphäre führt. Außerdem werden herkömmliche Kunststoffe und Klebstoffe in der Umwelt nicht abgebaut, was zu einer massiven Verschmutzung unserer Ökosysteme führt.

Um die positiven Effekte von Kunststoffen weiterhin zu nutzen, ist eine Abkehr von der fossilen Kunststoffindustrie hin zu biologisch abbaubaren Polymeren erforderlich. Sogenannte Biokunststoffe sind eine vielversprechende Alternative, um herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen. Im Jahr 2024 wurden jedoch weltweit nur 2,5 Millionen Tonnen Biokunststoffe produziert, von denen nur 56 % als biologisch abbaubar gelten.

Im Fokus unseres Labors für Umwelt- und Bioverfahrenstechnik liegt die Erforschung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA)-Biopolymeren. Diese Polymerfamilie besteht aus linearen Polyestern mit unterschiedlich langen Seitenketten, wodurch ihre Eigenschaften gezielt beeinflusst werden können. Generell sind diese vergleichbar mit den Eigenschaften von erdölbasierten Kunststoffen. PHA-Biopolymere können von vielen Mikroorganismen aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden und sind in natürlichen Umgebungen wie dem Boden und dem Meer vollständig zu CO2 und Wasser biologisch abbaubar, ohne dass dabei schädliches Mikroplastik entsteht.

Für die Gewährleistung der Wettbewerbsfähigkeit der Biopolymere mit erdölbasierten Produkten wird daher an der Optimierung etablierter Prozesse im Upstream und Downstream Processing sowie auf molekularer Ebene geforscht. Im Zentrum der Forschung stehen insbesondere:

  • Verfahrensentwicklung von Fed-Batch-Prozessen zur Produktion von PHA-Biopolymeren in Hochzelldichte (> 150 g/L Biomasse, > 100 g/L PHA)
  • Entwicklung von kontinuierlichen Prozessen, um Produktionskosten zu senken und eine effiziente PHA-Synthese zu gewährleisten
  • Einsatz neuer prozessanalytischer Technologien (PAT) zur Prozessüberwachung und Steuerung, um eine optimale Produktqualität zu erreichen
  • Verwendung von lokal verfügbaren Reststoffen, insbesondere lipidreiche Abfallstoffe wie Öle und Fette, zur nachhaltigen Biopolymerproduktion
  • Steuerung der monomeren Zusammensetzung und damit der Eigenschaften der PHA-Biopolymere durch gezielte Auswahl der Feedstocks, Prozesssteuerung und Aufarbeitung mit Schwerpunkt auf Co-Polymeren wie P(HB-co-HHx)
  • Entwicklung wasserbasierter Aufarbeitungsverfahren, um umweltfreundliche Extraktionsmethoden ohne den Einsatz schädlicher Lösungsmittel zu ermöglichen
  • Analyse der biologischen Abbaubarkeit von PHA-Biopolymeren unter realen Umweltbedingungen