In het algemeen, kunststoffen worden verwerkt op ver boven de honderd graden Celsius. enzymen, daarentegen, zijn doorgaans niet bestand tegen deze hoge temperaturen. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP zijn erin geslaagd deze tegenstellingen te verzoenen:ze zijn in staat enzymen in plastics in te bedden zonder dat de enzymen daarbij hun activiteit verliezen. De mogelijkheden die dit creëert zijn enorm.

Materialen die zichzelf reinigen, schimmelwerende oppervlakken hebben of zelfs zelfafbrekend zijn, zijn slechts enkele voorbeelden van wat er mogelijk is als we actieve enzymen in kunststoffen kunnen inbedden. Maar om de enzymspecifieke eigenschappen over te brengen op de materialen, de enzymen mogen geen schade oplopen omdat ze in het plastic zijn ingebed. Wetenschappers van Fraunhofer IAP hebben een oplossing voor het probleem ontwikkeld als onderdeel van het project "Biofunctionalization/Biologization of Polymer Materials BioPol". Sinds de zomer van 2018, het project loopt in samenwerking met BTU Cottbus-Senftenberg. Het ministerie van Wetenschap, Onderzoek en cultuur van de deelstaat Brandenburg financiert het project.

"Het was vanaf het begin duidelijk dat we niet op zoek waren naar bio-gefunctionaliseerde kunststoffen op laboratoriumschaal. We wilden een gigantische stap zetten om te laten zien dat technische productie mogelijk is, " zegt Dr. Ruben R. Rosencrantz, Hoofd van de afdeling "Biofunctionalized Materials and (Glyco)Biotechnology" bij Fraunhofer IAP, een samenvatting van de ambitieuze projectdoelen. Ongeveer halverwege het project, er zijn al grote doorbraken:Enzymen zijn met succes ingebed, zowel wat betreft de enzymen zelf als de verwerkingstechniek.

Anorganische beschermende dragers voor hogere temperatuurstabiliteit

Op zoek naar een manier om de enzymen te stabiliseren, de onderzoekers gebruiken anorganische dragers. Deze dragers werken als een soort bescherming voor het enzym. Zoals Rosencrantz uitlegt:"We gebruiken anorganische deeltjes, bijvoorbeeld, die zeer poreus zijn. De enzymen binden aan deze dragers door in te bedden in de poriën. Hoewel dit de mobiliteit van de enzymen beperkt, ze blijven actief en kunnen veel hogere temperaturen weerstaan."

Rosencrantz doet stress, echter, dat er geen algemeen toepasbaar stabilisatieproces is:"Geen twee enzymen zijn hetzelfde. De drager en de technologie die het meest geschikt is voor het inbeddingsproces blijven enzymspecifiek."

Gestabiliseerde enzymen:niet alleen aan het plastic oppervlak, maar ook binnen

De onderzoekers zochten bewust een manier om de gestabiliseerde enzymen niet alleen op het oppervlak van het plastic aan te brengen, maar om ze rechtstreeks in de kunststoffen in te bedden. "Hoewel het veel moeilijker is, deze techniek voorkomt ook tekenen van slijtage op het materiaaloppervlak die de functionaliteit van de kunststoffen aantasten, ", legt Thomas Büsse uit, hoofd van de proeffabriek voor de verwerking van biopolymeren van het instituut in Schwarzheide.

Om een ​​optimaal materiaalresultaat in het nageschakelde proces te bereiken, de gestabiliseerde enzymen moeten zo snel mogelijk worden verdeeld in de hete plastic smelt waaraan ze worden toegevoegd, zonder te worden blootgesteld aan overmatige kracht of verhoogde temperaturen. Een evenwichtsoefening die in het voordeel van Büsse kantelde:"We hebben een proces ontwikkeld dat geschikt is voor zowel bioplastics als voor de conventionele op aardolie gebaseerde kunststoffen zoals polyethyleen. Uit ons onderzoek blijkt ook dat eenmaal ingebed in het plastic, gestabiliseerde enzymen zijn bestand tegen hogere thermische belastingen dan voorheen. Dit maakt het gebruik van enzymen en alle processtappen een stuk eenvoudiger."

Zelfreinigende kunststoffen zijn nog maar het begin

Tot nu, de onderzoekers van Fraunhofer IAP hebben voornamelijk proteasen geëvalueerd als hun enzymkeuze. Proteasen kunnen andere eiwitten afbreken. Dit geeft het door deze proteasen gefunctionaliseerde plastic een zelfreinigend effect. pijpen, bijvoorbeeld, zou niet zo gemakkelijk sluiten of verstoppen. Maar ook andere enzymen worden systematisch getest. De samenwerkingspartners van BTU Cottbus-Senftenberg richten zich meer op enzymen voor het afbreken van kunststoffen en giftige stoffen, bijvoorbeeld.

De eerste gefunctionaliseerde kunststofgranulaten, films en spuitgietlichamen zijn al geproduceerd. De onderzoekers hebben vastgesteld dat de enzymen die in deze producten zijn ingebed, actief blijven. De volgende stap is nu om het proces te testen en verder te optimaliseren voor dagelijks gebruik in verschillende toepassingen. Rosencrantz en Büsse zijn optimistisch en hebben ook een octrooiaanvraag ingediend voor hun onderzoek.