Forscher nutzen Fructose als Ausgangsstoff für einen Biokunststoff, der sich bei Bestrahlung durch UV-Licht wieder in seine Bestandteile zerlegt. Sie greifen dabei auf das Prinzip der Photolyse zurück, indem sie sogenannte Caged-Verbindungen in die Polymerketten einbauen. Biomasse ist ein Rohstoff, der prinzipiell im Überfluss vorhanden und damit zu beschaffen und obendrein erneuerbar ist. Sie bildet die Grundlage der biobasierten Wirtschaft, die Bioökonomie. Drei Verbindungsklassen sind dabei von besonderer Bedeutung: Proteine, Fette und Kohlenhydrate. Letztere standen im Rahmen einer Machbarkeitsstudie im Fokus, bei der es einem Forscherteam gelungen ist, einen biobasierten Kunststoff mit einer besonderen Eigenschaft herzustellen. Er recycelt sich unter Licht quasi von selbst.
Biokunststoff aus Kohlenhydraten
Kohlenhydrate machen den Großteil der Biomasse aus. Dazu zählen unter anderen die Einfachzucker Glucose und Fructose. Beide dienen als Ausgangsstoff für chemische Verbindungen, die für die Industrie von Nutzen sind. Hydroxymethylfurfural (HMF) ist eine Verbindung, die dabei häufig eine wichtige Rolle spielt und bei der Zersetzung von Kohlenhydraten entsteht. Lässt man diese Verbindung oxidieren, entsteht 2,5‑Furandicarbonsäure (FDCA). Beide Stoffe gehören zu den wichtigsten biobasierten Chemikalien für die Industrie und bildeten in der Studie die Grundbausteine, die Monomere, für den sich selbst-recycelnden Biokunststoff.
Die Forscher setzen auf das Prinzip der Photolyse
Um den Zersetzungsprozess unter Lichteinfluss in Gang zu setzen, bauten die Forscher bei der Polymerisation Nitrobenzyl-Verbindungen ein (2‑Nitro‑1,3‑Benzenedimethanol). Diese gehören zur Klasse der „Caged-Verbindungen“ (engl. Käfig), die wiederum zu den photolysierbaren Verbindungen gehören. Dabei handelt es sich um chemische Verbindungen, deren Moleküle sich unter dem Einfluss von Licht spalten bzw. eine chemische Reaktion eingehen (Photolyse). Die Polymerisation ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Kunststoffen, da bei diesem Prozess die Monomere zu langen Polymerketten zusammengesetzt werden.
Caged-Verbindungen halten UV-Licht nicht stand
Da für die Spaltung der Caged-Moleküle die Wellenlänge ausschlaggebend ist, diese aber ansonsten stabil und biochemisch inaktiv bleiben und darüber hinaus gut löslich und relativ ungiftig sind, machten sich die Forscher diese Eigenschaften bei der Entwicklung des Biokunststoffs zunutze. Es zeigte sich, dass die Caged-Verbindungen durch die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht mit einer Wellenlänge von 350 Nanometer (Schwarzlicht) aufbrachen und infolgedessen sich die Polymerketten wieder in ihre Einzelteile auflösten. Die Forscher lösten den pulverförmigen, hellbraunen Biokunststoff in einem Lösungsmittel auf und beobachteten, dass die anfangs noch trübe Lösung nach fünf Stunden vollständig transparent war. Zurückblieben die Monomere, die anschließend wiederverwendet werden konnten. Dieses Prinzip ließ sich in weiteren Versuchen auch auf Polymerketten übertragen, die sowohl aus unterschiedlichen Monomer-Einheiten zusammengesetzt waren (Copolymere) als auch aus Monomeren bestanden, die nicht aus Biomasse hergestellt worden sind.
Biokunststoff als Wachstumsmarkt
Biokunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie entweder biobasiert oder biologisch abbaubar oder im besten Fall beides sind. Berechnungen zufolge wird die Produktion von jährlich 1,4 Millionen Tonnen im Jahr 2012 auf 6,2 Millionen Tonnen im Jahr 2017 zunehmen. Die landwirtschaftliche Fläche, die zur Herstellung der Biomasse erforderlich war, betrug im Jahr 2012 rund 0,4 Millionen Hektar Land bzw. 0,01 % der weltweit der Landwirtschaft zur Verfügung stehenden Fläche von fünf Milliarden Hektar. Aufgrund von Effizienzsteigerungen in der Landwirtschaft und einer besseren Verknüpfung der Wertschöpfungsketten wird der Flächenbedarf jedoch geringer ansteigen als die Produktion und 2017 voraussichtlich rund 1,2 Millionen Hektar betragen. Vor diesem Hintergrund könnte die Idee, Biokunststoffe vollständig zu recyceln, einen weiteren positiven Effekt entfalten, wie die Wissenschaftler erklären.
Recycling entlastet die Umwelt
„Der Ansatz, aus Biomasse hergestellte Materialien durch Licht abbauen zu lassen, könnte helfen, die Umweltbelastung weiter zu senken, die durch die Freisetzung giftiger Chemikalien beim Abbau von erdölbasierten Kunststoffen entsteht“, erklärt Saravanakumar Rajendran und fährt fort, „Hinzu kommt, dass durch das Recycling die Nachfrage nach Rohstoffen bzw. Biomasse für die Kunststoffherstellung gesenkt werden kann“. Bevor jedoch der erste durch UV-Licht recycelbare Biokunststoff auf den Markt kommt, ist es noch ein weiter Weg. Zurzeit untersuchen die Forscher, ob und wie sich die lichtempfindliche Nitrobenzyl-Verbindungen in den Polymeren auf die Stabilität und andere Eigenschaften auswirken. Da Kunststoffe heute jedoch in vielen Alltagsgegenständen stecken und zudem oft als Verbundwerkstoffe mit mehreren Materialien kombiniert werden, muss das Gesamtprodukt analysiert werden. Prinzipiell aber stellt sich nicht die Frage, ob ein derartiger Kunststoff zum Einsatz kommen könnte, sondern vor allem wann und in welchem Bereich.
Originalpublikation:
Rajendran, S. et al. (2014): Programmed Photodegradation of Polymeric/Oligomeric Materials Derived from Renewable Bioresources. In: Angewandte Chemie (International Edition), 53, (12. November 2014), doi:10.1002/anie.201408492. Quelle: Pflanzenforschung.de
