Plastik aus Gras

Fast alle heute verkauften Kunststoffe stammen aus Erdöl und sind nicht biologisch abbaubar. Aber Forscher von Metabolix in Cambridge, Massachusetts, manipulieren Rutenhirse gentechnisch, um ein biologisch abbaubares Polymer herzustellen, das direkt aus der Pflanze extrahiert werden kann.

Das könnte die Wirtschaftlichkeit der Herstellung biologisch abbaubarer Polymere verändern. Metabolix verkauft bereits ein solches Polymer, aber es wird von Bakterien produziert, die sich in teuren Fermentern von Pflanzenzucker ernähren. Ein pflanzenbasiertes Verfahren, bei dem Pflanzen verwendet werden könnten, die auf marginalen Flächen angebaut werden, würde weniger Ausrüstung erfordern.

Oliver Peoples hat Metabolix zusammen mit dem Biologen Anthony Sinskey gegründet.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2013

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Metabolix schätzt, dass es seine pflanzlichen Polymere letztendlich zu weniger als der Hälfte der heutigen Preise verkaufen könnte. Während heutige Endprodukte Nischenartikel wie biologisch abbaubare Plastiktüten sind, könnten dann weit verbreitetere Produkte und Verpackungen wirtschaftlich werden.

Die Vision von Plants to Plastics beschäftigt den wissenschaftlichen Leiter von Metabolix, Oliver Peoples, einen ehemaligen MIT-Forscher, seit mehr als 20 Jahren, seit er und sein Kollege Anthony Sinskey, ein MIT-Biologieprofessor, Stoffwechselgene entdeckten, die es im Boden vorkommenden Bakterien ermöglichen, produzieren auf natürliche Weise ein Polymer, das als PHA bekannt ist. Aber nachdem sie Metabolix gegründet hatten, dauerte es ein Jahrzehnt, um die Stoffwechselsysteme der Bakterien zu optimieren, um nützliche Mengen an PHA zu produzieren. Bei Pflanzen ist dies noch schwieriger. Laut Peoples ist es viel komplexer und zeitaufwendiger, eine komplexe und langsam wachsende Spezies wie Rutenhirse im Vergleich zu einem sehr einfachen Bakterium zu entwickeln.

Jetzt arbeiten die Pflanzenwissenschaftler von Metabolix erneut daran, diese und andere Gene, die das Wachstum regulieren, in Pflanzen wie Rutenhirse, Leindotter und Zuckerrohr einzuführen. Im Rutenhirse bringen sie die Pflanze dazu, eine bestimmte Art von PHA, bekannt als PHB, zu produzieren und in ihrem Gewebe zu speichern, die zur Herstellung von Spritzgussprodukten wie Elektronikgehäusen verwendet werden kann. Das Unternehmen arbeitet auch an chemischen Produktionsschritten, einschließlich der Extraktion des PHB mit Lösungsmitteln und einer thermischen Methode zur Umwandlung des PHB in eine Chemikalie namens Crotonsäure, die als Ausgangsstoff für Polymere verwendet werden kann. Nachdem das PHB extrahiert oder die Crotonsäure produziert wurde, könnten Reste des Grases als Biomasse-Energiequelle verbrannt werden, die weniger Netto-Kohlenstoffemissionen erzeugt als fossile Brennstoffe.

Links: In einer Petrischale werden aus den Samen des Rutenhirses gewonnene Zellkulturen einer Lösung ausgesetzt, die manipulierte Bakterien enthält, die neue Gene in die Zellen übertragen. Einige Gene, die von Bodenbakterien übernommen wurden, verändern das Stoffwechselsystem des Grases, um ein Polymer namens PHB zu produzieren.
Rechts: Beginn der Kunststoffproduktion mit Rutenhirse.

Links: In einer Petrischale werden aus den Samen des Rutenhirses gewonnene Zellkulturen einer Lösung ausgesetzt, die manipulierte Bakterien enthält, die neue Gene in die Zellen übertragen. Einige Gene, die von Bodenbakterien übernommen wurden, verändern das Stoffwechselsystem des Grases, um ein Polymer namens PHB zu produzieren.
Rechts: Beginn der Kunststoffproduktion mit Rutenhirse.

Links Mit Hilfe eines Nährmediums entwickeln sich die überlebenden Zellen zu Pflanzen, deren veränderte Gene es ihnen ermöglichen, Plastik herzustellen.
Rechts: Die Zellkulturen werden auf ein Medium gelegt, das ein Herbizid enthält; Zellen, die die neuen Gene nicht eingebaut haben, werden abgetötet. (Modifizierte Zellen enthalten ein Gen, das es ihnen ermöglicht, das Herbizid zu tolerieren.)

Links Mit Hilfe eines Nährmediums entwickeln sich die überlebenden Zellen zu Pflanzen, deren veränderte Gene es ihnen ermöglichen, Plastik herzustellen.
Rechts: Die Zellkulturen werden auf ein Medium gelegt, das ein Herbizid enthält; Zellen, die die neuen Gene nicht eingebaut haben, werden abgetötet. (Modifizierte Zellen enthalten ein Gen, das es ihnen ermöglicht, das Herbizid zu tolerieren.)

Links: Nach mehreren Wochen werden die Pflanzen in Torfpellets umgefüllt und später im Gewächshaus umgepflanzt.
Rechts: Monate später ist das geschnittene und getrocknete Gras bereit für industrielle Prozesse zur Extraktion des PHB.

Links: Nach mehreren Wochen werden die Pflanzen in Torfpellets umgefüllt und später im Gewächshaus umgepflanzt.
Rechts: Monate später ist das geschnittene und getrocknete Gras bereit für industrielle Prozesse zur Extraktion des PHB.

Torfbällchen im Gewächshaus von Metabolix werden in Plastiktüten aufbewahrt, um die Feuchtigkeit zu halten. Junge Pflanzen werden getestet, um sicherzustellen, dass sie PHB produzieren. Im Hintergrund reifende Gräser.

Links: Bei einer vielversprechenden Methode zur Gewinnung und Nutzung des PHB wird gehäckseltes Rutengras zunächst in eine Edelstahlkammer gegeben.
Rechts: Die Kammer (rechts im Foto) wird als nächstes auf 300 °C erhitzt, wodurch das PHB in eine Chemikalie namens Crotonsäure zerlegt wird.

Links: Bei einer vielversprechenden Methode zur Gewinnung und Nutzung des PHB wird gehäckseltes Rutengras zunächst in eine Edelstahlkammer gegeben.
Rechts: Die Kammer (rechts im Foto) wird als nächstes auf 300 °C erhitzt, wodurch das PHB in eine Chemikalie namens Crotonsäure zerlegt wird.

Das Crotonsäuregas wird in einem Kondensationsprozess neben der Heizkammer aufgefangen und abgekühlt.

Die hier gezeigte Crotonsäure ist ein wichtiger Rohstoff für Kunststoffe und chemische Produkte.

Bei einer vielversprechenden Methode zur Gewinnung und Nutzung des PHB wird gehäckseltes Rutengras zunächst in eine Edelstahlkammer gegeben.

Links: Ein anderes und kapitalintensiveres Verfahren könnte das PHB direkt extrahieren, um es zur Herstellung von Kunststoffprodukten zu verwenden. Diese Methode beginnt damit, dass das gehäckselte Gras in ein Lösungsmittel gegeben wird, wodurch das PHB freigesetzt wird.
Rechts: Die entstehende Flüssigkeit wird reserviert.

Links: Ein anderes und kapitalintensiveres Verfahren könnte das PHB direkt extrahieren, um es zur Herstellung von Kunststoffprodukten zu verwenden. Diese Methode beginnt damit, dass das gehäckselte Gras in ein Lösungsmittel gegeben wird, wodurch das PHB freigesetzt wird.
Rechts: Die entstehende Flüssigkeit wird reserviert.

Links: Ein weiteres Lösungsmittel wird eingefüllt.
Rechts: Dadurch kann das PHB aus der Lösung ausfallen.

Links: Ein weiteres Lösungsmittel wird eingefüllt.
Rechts: Dadurch kann das PHB aus der Lösung ausfallen.

Metabolix berechnet, dass das Gras 10 Prozent seines Gewichts als PHB produzieren muss, um mit anderen Quellen biologisch abbaubarer Kunststoffe wirtschaftlich konkurrenzfähig zu sein. Das Unternehmen hat den PHB-Gehalt in Switchgrass bereits fast verdoppelt, von 1,2 Prozent im Jahr 2008 auf 2,3 Prozent im letzten Jahr, davon 7 Prozent in den Blättern. Der Prozess würde immer noch einige CO2-Emissionen verursachen: Der Anbau und die Ernte von Pflanzen erfordert Düngemittel auf Basis fossiler Brennstoffe und mit fossilen Brennstoffen betriebene Maschinen. Aber Peoples sagt voraus, dass es insgesamt sauberer wäre als die Herstellung von Kunststoff aus fossilen Brennstoffen, obwohl eine vollständige Analyse noch aussteht. Im Moment ist er bestrebt, seine Vision von Plants to Plastics endlich zu verwirklichen. Das zeuge von blutiger Zielstrebigkeit, sagt er.

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