Der Druck, Lösungen zu finden, die Öl in der Kunststoffindustrie ersetzen können, hat dazu geführt, dass mehrere Forschungsgruppen begonnen haben, innovative biologische Wege zu untersuchen. Diese Strategien zielen darauf ab, die Umweltverschmutzung und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und sauberere und effizientere industrielle Prozesse zu gewährleisten.
Zu den untersuchten Ansätzen gehören Bioproduktionstechnologien, die Bakterien, Enzyme und spezielle Nährstoffe kombinieren, um Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften wie Kunststoff herzustellen. Die Einführung dieser Methoden erfordert Änderungen in der Produktionskette und in den Methoden der nachhaltigen Materialherstellung.
Welches Material kann Öl in der Kunststoffherstellung ersetzen?
Das von japanischen Forschern entwickelte Material ist Pyridindicarbonsäure (PDCA), eine Verbindung, die Öl in der Kunststoffherstellung ersetzen kann. Es wird aus Bakterien und Enzymen gewonnen, die Nährstoffe wie Glukose in ein biologisch abbaubares Monomer umwandeln.
Seine chemische Struktur, die auf einem Pyridinring mit zwei Carboxylgruppen basiert, ermöglicht es, die aus Erdöl gewonnenen Monomere bei der Herstellung von PET zu ersetzen, ohne große Mengen an giftigen Abfällen zu erzeugen.
PDCA zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, sich umweltfreundlicher in industrielle Prozesse zu integrieren als herkömmliche Polymere, obwohl seine großtechnische Herstellung bisher durch geringe Produktivität und umweltschädliche Nebenprodukte eingeschränkt war.
Die Rolle der Biotechnologie bei dieser japanischen Entdeckung
Forschern der Universität Kobe gelang es, die Synthese von PDCA mit Hilfe von Escherichia coli zu verbessern und die Produktivität im Vergleich zu früheren Methoden um das Siebenfache zu steigern. Einige der verwendeten biotechnologischen Verfahren waren folgende:
- Die Bakterien ernährten sich von Glukose und wurden durch spezifische Enzyme verstärkt.
- Dieser Prozess reduzierte die Bildung toxischer Abfälle erheblich.
- Der Zellstoffwechsel wird genutzt, um Stickstoff einzuführen und die Verbindung von Anfang bis Ende herzustellen.
Der für das Projekt verantwortliche Bioingenieur Tsutomu Tanaka erklärte: „Wir wollen den Zellstoffwechsel nutzen, um die Verbindung ohne die Bildung unerwünschter Nebenprodukte herzustellen.“
Dieser Ansatz bestätigt, dass die biologische Produktion wirksame Alternativen zum Ersatz von Erdöl in der Kunststoffindustrie bieten kann.
Technische Lösungen für Produktionsprobleme
Während der ersten Tests entstand ein schädliches Nebenprodukt, das die Stabilität des Prozesses beeinträchtigte. Um dieses Problem zu lösen, führten die Wissenschaftler folgende Verfahren ein:
- Der Kultur wurde Pyruvat hinzugefügt.
- Die Wachstumsbedingungen für Bakterien wurden angepasst.
- Es wurden Verbindungen hinzugefügt, die das entstehende Wasserstoffperoxid neutralisieren.
Obwohl diese Maßnahmen die Produktion stabilisiert haben, bestehen weiterhin Zweifel an ihrer wirtschaftlichen Rentabilität in großem Maßstab, was ein zentrales Problem für den massenhaften Einsatz von PDCA in der Industrie darstellt.
Anwendung von PDCA und wie es Öl ersetzen kann
Pyridindicarbonsäure gehört zur Familie der heterocyclischen Verbindungen, die verschiedene Anwendungen in der Forschung und chemischen Synthese finden:
- Dipicolinsäure (Pyridin-2,6-dicarbonsäure): ein hitzebeständiger Chelatbildner für Metalle wie Chrom, Zink und Kupfer.
- Dinicotininsäure (Pyridin-3,5-dicarbonsäure): ein Zwischenprodukt in der pharmazeutischen und organischen Synthese.
- 2,4-Pyridindicarbonsäure: wird in der Erforschung neuer Medikamente und in der Antimetastasenforschung verwendet.
Im Falle von PDCA besteht seine Hauptanwendung in der Industrie darin, aus Erdöl gewonnene Monomere bei der Herstellung von PET zu ersetzen, wodurch die Umweltbelastung verringert und die Menge an umweltschädlichen Abfällen reduziert wird.
Die Entdeckung von PDCA macht die biologische Produktion zu einer zuverlässigen Alternative zur Verwendung von Erdölprodukten. Seine Einführung in der Kunststoffindustrie wird Folgendes ermöglichen:
- Herstellung langlebigerer und umweltfreundlicherer Kunststoffe.
- Reduzierung der Menge an giftigen Abfällen, die bei der traditionellen Herstellung anfallen.
- Optimierung industrieller Prozesse durch kontrollierte Stoffwechselwege.
Obwohl für seine großtechnische Herstellung noch technische und wirtschaftliche Verbesserungen erforderlich sind, stellt Pyridindicarbonsäure einen bedeutenden Fortschritt bei der Suche nach Alternativen dar, die Erdöl ersetzen und die weltweite Verschmutzung durch Kunststoffe reduzieren können.
