Forschungsfokus Biokunststoff: Hühnerplastik statt Gummiadler
Von Guido Deußing
In der aktuellen Presse kommen Hühner beziehungsweise ihre Eier nicht gut weg. Es ist doch so: Ein Lebensmittelskandal jagt den nächsten. Abseits der Diskussion um Deklarationsbetrug und um Kontaminationen wirft nun ein US-amerikanisches Forschungsvorhaben ein ganz anderes Licht auf das eierspendende Federvieh. Statt als Füllung von Federbetten Verwendung zu finden, haben gewiefte Wissenschaftler einen Weg gefunden, um aus Hühnerfedern Biokunststoff herzustellen. K-Online ist der Sache auf den Grund gegangen ...
Eine Gummiente kann bekanntlich nicht fliegen. Ihr Revier ist das Badezimmer, wo sie von Kindern und Loriot’schen Knollennasenmännern zu Wasser gelassen wird. Ein Gummiadler erobert ebenso wenig die Lüfte, er ist nicht mal aus Gummi. Der Begriff ist reserviert für die Spezies „minderwertiges Brathähnchen“, dessen Fleisch das Kauen verleidet und nicht so recht munden mag. Gleichwohl lässt sich vom geflügelten Federvieh eine Brücke zum Kunststoff schlagen, die belastbar genug ist für eine Geschichte. Darin geht es um einen neuartigen Biokunststoff aus Hühnerfedern, die bislang meist ungenutzt auf dem Müll landen. Allein in den USA, dem Land der Roasted Chicken, sind jedes Jahr sage und schreibe 1,5 Millionen Tonnen Hühnerfedern zu entsorgen. Als Daunenfüllung im Kissen sind sie nicht erste Wahl, vielleicht aber bald als Grundstoff für Bioplastik.
Dass Hühnerfedern das Zeug dazu haben, liegt daran, dass in ihnen Keratin steckt. So nennt sich ein Faserprotein, das bei Tieren auch in Hufen und Hörnern vorkommt. Beim Menschen verleiht Keratin den Finger- und Fußnägeln Stabilität, den Haaren Festigkeit. Unser Haar besteht zu über 80 Prozent aus Keratin. Kein Wunder, dass die haarbildenden Zellen, z. B. in der Kopfhaut, Keratinozyten genannt werden. Den Aufbau des Haarkeratins bestimmen die chemischen Elemente Kohlenstoff (C, Anteil: 50 %), Sauerstoff (O, 23 %), Stickstoff (N, 17 %), Wasserstoff (H, 6 %) und Schwefel (S, 4 %). Sie sind zu Aminosäuren verbunden, die infolge molekularer Kettenbildung (Polymerisation) das sogenannte Präkeratin bilden. Dieses Polypeptid hat die Gestalt einer Helix, ähnelt mit anderen Worten einer schraubenartig gewundenen Spirale. Zwischen den einzelnen Peptidspiralen kommt es dann im Zuge der Haarbildung zu Vernetzungen (Prozess der Verhornung). Am stabilsten dabei sind die Bindungen zwischen den Schwefelatomen, die sogenannten Disulfidbrücken. Die Elastizität des Haares hingegen bedingen die Wasserstoffbrücken. In Gegenwart von Wasser lösen sie sich, daraufhin bilden sich kurzzeitig Locken. Teilweise wasserlöslich sind auch die Salzbrücken (Ionenbindungen); trocknet das Haar, entstehen sie neu.
Bereits in den 1930er-Jahren erforschten William Thomas Astbury (1898-1961) und Henry John Woods (1903-1984) eingehend das Keratin. Sie fanden heraus, „daß im normalen Keratin Polypeptidketten vorliegen mit einer statistischen Aufeinanderfolge der einzelnen Aminosäuren, wobei benachbarte Ketten durch ‚Seitenkettenbindungen‘ zu netzartigen Gebilden verhängt sind“. Zudem führten die britischen Chemiker „durch verschiedene Behandlungen […] Streckungen und Kontraktionen herbei“, schrieb der österreichische Physikochemiker Otto Kratky (1902-1995), Abteilungsleiter am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut, in seinem 1939 erschienenen Aufsatz „Die röntgenographische Untersuchung der Faserstoffe“. Obwohl es also schon früh Indizien dafür gab, dass es sich bei Keratin um ein natürliches Polymer handelt, und obwohl bereits Ende des 19. Jahrhunderts die ersten Biokunststoffe erfunden wurden (siehe „Historisches Vorbild Bioplastik“), interessierte sich die Kunststoffindustrie so gut wie gar nicht für das Keratin. Jetzt entreißen es Polymerforscher der University of Nebraska/USA der Vergessenheit: Ihnen ist gelungen, Keratin aus Hühnerfedern zu isolieren. In einem zweiten Schritt haben die Forscher es so behandelt, dass es wasserbeständig und mechanisch stabil bleibt. Mit anderen Worten: Sie haben es geschafft, aus Hühnerfedern Plastik herzustellen.
Normalerweise verhalten sich Hühnerfedern bei Feuchtigkeit ähnlich wie Pferdehaare – sie dehnen sich aus. Aus Pferdehaar wurden daher die klassischen Hygrometer gebaut: Man nutzt den Dehneffekt, um die Veränderung der Luftfeuchte zu messen. „Zwar versuchte man schon früher, Federn für Verbundkunststoffe zu nutzen, doch beim Kontakt mit Wasser bereitete das Ergebnis Probleme“, weiß Yiqi Yang, Professor am Institut für Materialwissenschaften und Nanotechnologie der University of Nebraska. Probleme, die beseitigt zu sein scheinen, denn das Team um Professor Yang rührte einen speziellen Cocktail an, versetzte die Hühnerfedern mit Acrylsäuremethylesther. Dadurch entstehen lange Molekülketten, die unterschiedliche Wechselwirkungen eingehen und dadurch eine feste Masse bilden. Das so entstandene Hühnerplastik weise nun Eigenschaften auf, die man bislang an ihm vermisst habe, allen voran Wasserbeständigkeit, Strapazierfähigkeit und längere Haltbarkeit. Obendrein wiegt es weniger als vergleichbare Verbindungen aus Polyethylen bzw. Polypropylen. Nicht zuletzt ist es biologisch abbaubar.
Noch handelt es sich um bescheidene Anfänge, treten die Forscher auf die Euphoriebremse, doch wurde das Verfahren in den USA bereits zum Patent angemeldet. Auch in Deutschland liefen bereits Versuche, einen Biokunststoff aus Keratin herzustellen. Verwendet wurde dazu nicht Gefieder, sondern Horn, versetzt mit Natronlauge oder Ameisensäure: „Das Endprodukt selbst bildete eine feste folienartige Substanz. Eventuell sind durch die Spaltung der Peptidbindung durch die Lauge bzw. Ameisensäure kurze Peptidstücke entstanden. Diese könnte man eventuell durch Zugabe eines Katalysators neu polymerisieren. Vorbild hierfür könnte die Polymerisation von Caprolactam sein, ein Ausgangsstoff der chemischen Industrie für Polyamide, zum Beispiel Perlon.“ (www.jufomarianum.de/bericht0008.html)
Damit ist das Thema „natürliche Polymerfasern“ angeschnitten. Am Deutschen Wollforschungsinstitut (DWI) an der RWTH Aachen will man die in Hühnerfedern enthaltenen Proteine zu neuartigen Fasern verknüpfen. Zu denken ist einerseits an deren Verwendung als Baumwollersatz in der Textilindustrie, mehr noch aber an technische Fasern, aus denen Dämmstoffe und Geotextilien, z. B. Befestigungen für Autobahnböschungen, hergestellt werden. Zu diesem Zweck wurden Hühnerfedern in Wasser unter hohem Druck zerkocht und so die enthaltenen Proteine in noch kleinere Bausteine, sogenannte Oligopeptide, gespalten. Diese bestehen aus Aminosäuren, die sich zu Kristallen zusammenlagern und als Grundmaterial neuer Polymere gelten. Dieses Federprotein wird nun herkömmlichen Kunststofffasern zugesetzt, um deren physikalische Eigenschaften zu verbessern.
Neben Federkeratin gilt auch das Weizenprotein Gluten als geeigneter Ausgangsstoff für neue Fasern. In weiteren Experimenten wird Polymeren der Stoff Lignin zugesetzt, der natürlicherweise die Cellulosefasern im Holz verklebt. Als historisches Vorbild ist die Kunstseide anzusehen: „Ein Holzscheit wird zum Abendkleid“, jubelten die Autoren des 1952 erschienenen Buches „Die Industrie der Zauberer“. Folgender Auszug lässt noch heute die Faszination spüren, die von der „zauberhaften Verwandlung des steifen, starren Holzes in weiches, schmiegsames Spinngut“ ausging, „aus dem man Kleider macht“:
„Das Holz, aus dem wir Ihr Abendkleid zaubern wollen, stammt von der Buche oder der Fichte […]. Es wird entschält, zersägt, gewaschen, zu Spänen geschnippelt und in riesigen Kesseln bei enormen Temperaturen gekocht. Die Gewürze für diese Art von Suppe sind Chemikalien, die den Grundstoff Holz ‚aufschließen‘. […] (Danach, Red.) wird diese ‚Suppe‘ entwässert, getrocknet und zu einer endlosen Zellstoffbahn gepreßt, die dann zu Tafeln zerschnitten wird. […] Die Tafeln […] sind das Rohmaterial der Kunstseidenfabriken. Der Zellstoff wird zerfasert, gebleicht und durch allerlei chemische Zusätze in eine zähe Spinnflüssigkeit verwandelt. […] Es wird dann noch geklärt, filtriert, zur Reife gebracht und schließlich durch feine Düsen gepreßt. Ja, und das ist dann schon die Kunstseidenfaser. […] Sie übertr(ifft) die Naturfasern durch absolut gleichmäßige Faserfeinheit und k(ann) in jeder gewünschten Faserdicke und -länge hergestellt werden.“
Heute stehen nüchterne statt magische Erwägungen im Vordergrund, das Zeitalter des Bioplastiks einzuläuten. Die Herstellung herkömmlichen Kunststoffs verschlingt zwar „nur“ etwa vier Prozent des geförderten Erdöls. Doch die natürliche Ressource ist endlich, ihr Einsatz sollte daher Zwecken vorbehalten sein, die mangels Alternative auf Erdöl angewiesen bleiben. „Ziel ist, dass Kunststoff aus erneuerbaren Ressourcen eines Tages jenen aus Öl ersetzt“, sagt Professor Yang. Klingt gut, hat aber eine Kehrseite: Umweltverbände und Wissenschaftler bemängeln, Bioplastik, sei schwer abbaubar, könne Gewässer überdüngen und die Ozonschicht schädigen (Links: www.econitor.de/magazin/lifestyle/bio-plastik-ist-nicht-gruen_10869.html ). Ob ausgerechnet Hühnerplastik an dieser Einschätzung etwas ändern wird, muss die Zukunft zeigen.