Thema des Monats April 2016

Dufte Sache: Nylon aus flüchtigen Verbindung

Quelle: istock / ArtMarie

Die Kunststoffherstellung ist ein Arbeitsgebiet, auf dem sich nicht nur Chemiker, Verfahrenstechniker oder Maschinen- und Anlagenbauer tummeln. Der Trend zur mehr Nachhaltigkeit und dem Einsatz natürlicher Ressourcen hat zu einer Interdisziplinierung dieses Forschungs- und Anwendungsbereichs geführt. Mehr und mehr Experten anderer Disziplinen, etwa der Biologie oder der Biotechnologie, liefern inzwischen wertvolle Beiträge zur Entwicklung nachhaltiger Kunststoffe. Sina Weidenweber und Ulrich Ermler vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt und Robert Marmulla und Jens Harder vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen etwa ist es gelungen, die räumliche Struktur eines Enzyms sowie dessen Bindung an bestimmte Pflanzenduftstoffe, sogenannte Terpene, aufzuklären, aus denen sich die erforderlichen Bausteine für die Herstellung von zum Beispiel Nylon und anderen Polymermaterialien gewinnen lassen.

Weltweit arbeiten Forscher daran, den Rohstoffbedarf der Kunststoff- und Kautschukindustrie mehr und mehr aus nachhaltigen Quellen zu befriedigen. Für die Kunststoffsynthese braucht es Kohlenwasserstoffverbindungen, die vorwiegend aus Erdöl gewonnen werden; aus Erdöl lassen sich nahezu alle Stoffe der organischen Chemie herstellen. Das grundlegende Verfahren ist wohlbekannt und etabliert. Erdöl ist jedoch nicht die einzig verwertbare Rohstoffquelle. Hierzu taugt de facto die gesamte Biomasse, das heißt der Rückstand tierischen und pflanzlichen Lebens – Basis aller fossilen Brennstoffe.

Butadien und Isopren: wichtige Zwischenstoffe in der Kunststoffproduktion

Anlage zur Verarbeitung von Erdöl. Quelle: istock /zorazhuang

Butadien und Isopren sind Zwischenprodukte in der Herstellung von Nylon, hochschmelzenden Kunststoffen (ABS-Polymere) und Gummi. Bislang wird Butadien aufwendig durch Spaltung von Erdöl erzeugt. Mehr als zehn Millionen Tonnen Butadien und Isopren werden Schätzungen zufolge jährlich unter einem erheblichen Einsatz von Energie aus fossilen Brennstoffen erzeugt; der Markt soll 15 Milliarden Euro schwer sein, heißt es in einer Pressemeldung zum Thema vom Max-Planck-Institut.

Hohe Ölpreise und die wachsende Nachfrage lösten bereits vor Jahren eine Suche nach alternativen Herstellungsmethoden und Rohstoffquellen für die Kunststoffproduktion aus. Untersucht wurden unter anderem nachhaltige Ressourcen, darunter nachwachsende Rohstoffquellen sowie verwertbare Rückstände von Pflanzen und Lebensmitteln. Die letzten Beiträge der Rubrik „Thema des Monats“ beleuchteten unterschiedliche Forschungsaktivitäten

Ätherische Öle – interessanter Ansatz für die Gewinnung nachhaltiger Kunststoffe

Auf die Suche nach einer weiteren attraktiven Alternative begaben sich Sina Weidenweber und Ulrich Ermler vom Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt gemeinsam mit Robert Marmulla und Jens Harder vom Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie in Bremen. Die Forscher nahmen pflanzliche Duftstoffen sowie ätherische Öle unter die Lupe, die chemisch betrachtet zu den Terpenen beziehungsweise Monoterpenen und Monoterpenalkoholen zählen. Es handelt sich um natürliche Kohlenwasserstoffverbindungen, wie sie als Zutat für die Kunststoffherstellung benötigt werden [1].

Blicken wir einmal auf die chemischen Details; sorry, aber ohne einige wenige naturwissenschaftliche Grundlagen geht es nun mal nicht. Terpene respektive Monoterpene sind der Hauptbestandteil von ätherischen Ölen wie Eucalyptusöl oder Pfefferminzöl. Monoterpene werden natürlicherweise in Pflanzen produziert; die sekundären Pflanzenstoffe sie fallen im Rahmen des Stoffwechsels an und erfüllen unterschiedliche Funktionen. Aals leichtflüchtige Duftstoffe abgegeben, lockt die Pflanzen Bestäuber an oder wehrt damit Feinde ab.

Monoterpene begegnen uns nicht allein etwa im typischen Rosenduft, er wird nachhaltig von der Verbindung Geraniol geprägt, oder im markant riechenden Tannenwald. Terpene begegnen uns ständig im Alltag. Sie sind in Nahrungsmitteln enthalten und werden als Ingredienz in Arzneien und Kosmetika eingesetzt. Ein bekannter Vertreter, das Limonen, ist nicht nur, wie der Name vermuten lässt, in Zitrusfrüchten enthalten, sondern auch in Kümmel, Koriander und zahlreichen anderen Pflanzen. Dieser Naturstoff wird oft als Lösemittel eingesetzt und kann so in Reinigern und Lacken gefunden werden.

Interessanter Einblick in Struktur und Aufbau von Terpenen

Molekülstruktur von Isopren.

Tauchen wir ein in die chemische Struktur von Terpenen, die vermutlich, darauf deutet alles hin, künftig mehr und mehr für Polymerforscher an Bedeutung gewinnt. Ein Grundbaustein von Terpenen bildet das Isopren; dieses Molekül ist mit fünf Kohlenstoff- und acht Wasserstoffatomen (C5H8) ein klassischer Vertreter der für die Kunststoffherstellung interessanten Kohlenwasserstoffverbindungen.

Monoterpene bestehen aus zwei Isopren-Molekülen (C10). Andere Terpene wiederum setzen sich aus noch mehr dieser Basismoleküle zusammen, zum Beispiel Sesquiterpene aus drei (C15) oder Triterpene aus sechs (C30) Kohlenstoff- und entsprechend vielen Wasserstoffatomen. Das Angebot, das Mutter Natur den Forschern offeriert, ist reichhaltig: Hunderte Monoterpene sind inzwischen bekannt und aufgeschlüsselt. Polymerforschern öffnet sich hier ein riesiges Experimentierfeld – das noch hinreichend lange bearbeitet werden muss, bis Terpene den Grundstock im Industriemaßstab hergestellter Kunststoffe bilden. Einen wichtigen Schritt haben die Max-Planck-Forscher getan.

Weg aus der Natur ins Labor und in die industrielle Anwendung

Struktur der Linalool Dehydratase/Isomerase. Fünf identische Proteine bilden eine fünfgliedrige Rosette. In schwarz sind die gebundenen Substrate des Enzyms dargestellt. Abbildung: Sina Weidenweber und Ulrich Ermler, Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt

Die Herstellung von Monoterpenen erfolgt, so ist der Kenntnisstand, innerhalb der Pflanze im Zuge hinreichend aufgeschlüsselter Stoffwechselprozesse. Die Umsetzung eines etwa nach Rosen duftenden Terpens namens Geraniols in das nach Koriander riechende Coriandrol ((S)-Linalool) und weiter in Myrcen, das dem Hopfen seinen unverwechselbaren Geruch verleiht, geschieht allerdings nicht einfach so, sondern erfordert den Einsatz einen Katalysators.

Eigenschaft eines Katalysators ist es, sich an eine Verbindung zu heften, dadurch seine chemische Eigenschaften dahingehend zu modulieren, dass Mutter Natur weniger Energie und Aufwand investieren muss, um besagte Verbindung zu verändern beziehungsweise zu verstoffwechseln. Währenddessen bleibt der Katalysator völlig unverändert und kann seine Aufgabe an anderer Stelle immer wieder und wieder ausführen.

Im tierischen und pflanzlichen Organismus übernehmen Enzyme die Aufgabe als Biokatalysatoren. Im oben genannten Beispiel der Umwandlung von Geraniol in Myrcen handelt es sich um die sogenannte Linalool-Dehydratase-Isomerase. Dieses Enzym sei jedoch auch in der Lage, schreiben die Wissenschaftler [1], aus unterschiedlichen Produkten von Fermentationsprozessen, sprich Gärungsprozessen, Ausgangsstoffe wie das Isopren oder Butadien herzustellen. Die Biotechnologie produziert zum Beispiel unter Einsatz modifizierter Bakterien, Pilze oder Hefen in großen Fermentationsanlagen zum Beispiel Wirkstoffe, die üblicherweise vom menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Organismus produziert werden. Künftig werden sich in die Reihe der biotechnologischen Erzeugnisse aus Ausgangsstoffe für die Kunststoffherstellung gesellen.

Der Lösung näher gerückt

Struktur der Linalool Dehydratase/Isomerase. Fünf identische Proteine bilden eine fünfgliedrige Rosette. In schwarz sind die gebundenen Substrate des Enzyms dargestellt. Abbildung: Sina Weidenweber und Ulrich Ermler, Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt

Einen wichtigen Schritt in diese Richtung haben zumindest Sina Weidenweber und Kollegen unternommen, indem es ihnen gelungen ist, die Struktur des Enzyms Linalool-Dehydratase-Isomerase und dessen Art und Weise, sich an Moleküle zu binden, aufzuklären. Die katalytischen Fähigkeiten der Linalool-Dehydratase-Isomerase sei für diese Aufgabe jedenfalls bestens geeignet, urteilen die Wissenschaftler. Aufbauend auf der Entdeckung des Enzyms durch Bremer Forscher im Jahre 2010 lägen inzwischen zahlreiche Patentanträge und Patente zur Nutzung dieses Enzyms bei der Herstellung von Butadien und Isopren vor.        Guido Deußing

Literatur

[1] Sina Weidenweber, Robert Marmulla, Ulrich Ermler und Jens Harder, X-ray structure of linalool dehydratase/isomerase from Castellaniella defragrans reveals enzymatic alkene synthesis, FEBS Letters 2016, doi 10.1002/1873-3468.12165