Schützende Bakterien: Biopolymer-Beschichtung für Textilien

Sie trotzt Wind und Wetter und schützt uns vor verschiedensten Umwelteinflüssen: Funktionskleidung. Verantwortlich dafür sind spezielle Beschichtungen. Dafür kommen oft Polyacrylate oder Polyurethane zum Einsatz, die auf Erdöl und damit einer endlichen Ressource basieren. Die Deutschen Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF) forschen deshalb an Alternativen aus nachwachsenden Quellen – so auch an Polymeren aus Bakterien.

Im Interview mit dem K-Mag sprechen Dr.-Ing. Thomas Stegmaier und Dr. Thomas Hettich über die Textilbeschichtung aus Bakterien, deren Herstellung sowie Vorteile.

Wie kamen Sie darauf, Biopolymere aus Bakterien für Textilbeschichtungen zu nutzen?

Dr.-Ing. Thomas Stegmaier und Dr. Thomas Hettich: Einer unserer Fokusthemen in der Forschung liegt im Ersatz fossilbasierter Polymere durch nachwachsende Rohstoffe, aus denen nachhaltigere Polymere für Textilien hergestellt werden können. Dazu gehören sowohl Fasern als auch Beschichtungen. Wir beobachten hierzu sehr intensiv die Entwicklungen in der Biotechnologie und im Agrarbereich, die sehr dynamisch sind, um geeignete Rohstoffe zu finden. Manche Bakterien haben den besonderen Vorteil, dass sie mit einem hohen Gewichtsanteil von bis zu 50% aus einem geeigneten schmelzbaren Biopolymer bestehen. Die Aufgabe besteht dann in der Ernte darin, dieses Polymer aus der restlichen Biomasse abzutrennen. Hier arbeiten wir eng mit unserem Partner, dem Fraunhofer IGB, zusammen, das entsprechende hocheffiziente Bakterienkulturen ansetzt.

Können Sie den Prozess beschreiben, wie PHA hergestellt werden und welche Faktoren die Eigenschaften des Endprodukts beeinflussen?

Stegmaier & Hettich: Einige Bakterienstämme legen PHA als Energiereserven an – ein Vergleich kann hierzu mit Menschen gezogen werden, die Fettpolster anlegen. Der ausschlaggebende Faktor für das Anlegen dieser Reserven ist, dass sie nicht mit allen Nährstoffen adäquat versorgt sind, sondern beispielweise mit Stickstoff unterversorgt und mit Zucker oder Fettsäuren überversorgt sind. Der hierdurch entstehende Überschuss an Kohlenstoff und Wasserstoff aus Zucker bzw. Fettsäuren wird von den Bakterien in PHA umgewandelt. Je nach Bakterienstamm unterscheiden sich PHA in der Repetiereinheit, dem Molekulargewicht, der Polydispersität, der Viskosität und dem Schmelzpunkt.

Wie unterscheiden sich die Eigenschaften und Anwendungen von Polyhydroxyalkanoate (PHA) im Vergleich zu traditionellen, auf Erdöl basierenden Beschichtungsmaterialien?

Stegmaier & Hettich: Erdölbasierte Beschichtungen für Textilien haben schon eine lange Entwicklungszeit hinter sich und zeigen ausgezeichnete Eigenschaften. Erst durch eine Beschichtung lässt sich z.B. eine hohe Wasserdichtigkeit für Bekleidung erzielen. Die bisher verfügbaren PHA haben gute Grundkennwerte, die wir vorteilhaft nutzen. Viele Eigenschaften müssen jedoch noch entwickelt werden, damit die beschichteten Textilien ihre Funktion erfüllen können.

Welche technischen und ökologischen Vorteile bieten Textilien, die mit PHA beschichtet sind, insbesondere in Bezug auf Wind- und Wasserdichtigkeit?

Stegmaier & Hettich: Die Vorteile liegen in der ausgeprägten Nachhaltigkeit. Bisher werden wind- und wasserdichte Textilien aus erdölbasierten Rohstoffen oder teilweise aus Rezyklaten hergestellt. Die hohe Barrierewirkung gegenüber Wind und Wasser von PHA wurde bereits an daraus hergestellten Folien gezeigt.

Welche Herausforderungen mussten bei der Entwicklung von PHA-basierten Beschichtungen für technische Textilien überwunden werden?

Stegmaier & Hettich: Konventionelle Beschichtungssysteme werden mit Polymeren hergestellt, bei denen bereits die Synthese im Hinblick auf die später im Produkt gewünschten Eigenschaften ausgelegt wird. Dies ist bei der Biosynthese von PHA nicht ohne weiteres möglich.

Welche weiteren Forschungs- und Entwicklungsziele verfolgen die DITF im Bereich der biobasierten Textilbeschichtungen?

Stegmaier & Hettich: Langfristig möchten wir technische Möglichkeiten aufzeigen, Beschichtungssysteme, die bisher auf fossilen Ressourcen beruhen, durch biobasierte Systeme zu ersetzen. Diese Polymersysteme sind in der Regel auch biologisch abbaubar, sodass dem Problem des Mikroplastiks in unserer Umwelt begegnet werden kann.