{"id":12274,"date":"2010-04-27T00:00:00","date_gmt":"2010-04-26T22:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/www.bio-based.eu\/news\/index.php?startid=20100427-02n"},"modified":"2010-04-27T00:00:00","modified_gmt":"2010-04-26T22:00:00","slug":"cluster-biopolymerebiowerkstoffe-nylon-aus-dem-biotank","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/cluster-biopolymerebiowerkstoffe-nylon-aus-dem-biotank\/","title":{"rendered":"Cluster Biopolymere\/Biowerkstoffe: Nylon aus dem Biotank"},"content":{"rendered":"

Im Cluster Biopolymere\/Biowerkstoffe ist Anfang 2009 das Projekt “Biobasierte Polyamide durch Fermentation” angelaufen. Ziel ist, mit biotechnologischen Verfahren Grundstoffe herzustellen, aus denen Kunststoffchemiker Polyamide mit neuen Eigenschaften entwickeln wollen.<\/b><\/p>\n

Damenstumpfhosen, Drachenschn\u00fcre und D\u00fcbel haben eines gemeinsam: sie werden aus Polyamiden hergestellt. Die technisch-n\u00fcchterne Vokabel “Polyamid” steht nicht nur f\u00fcr Erfolgsgeschichten wie der des Nylons, sondern auch f\u00fcr die Werkstofftr\u00e4ume vieler Produktentwickler. Die Kunststoffe werden chemisch-synthetisch hergestellt und lassen sich dabei so stark variieren, dass ihre Eigenschaften in viele Richtungen angepasst werden k\u00f6nnen. Keine \u00dcberraschung also, dass Polyamide nicht nur zu Massenwaren wie Shirts und Strumpfhosen verarbeitet werden, sondern auch f\u00fcr Zahnr\u00e4der, Gleitlager, Geh\u00e4use oder Implantate ein wichtiger Werkstoff sind.<\/p>\n

Neue Eigenschaften durch neue Basisstoffe<\/b><\/p>\n

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\"Zueine Probe Zellkultur abnehmen. Mit solchen Labor-
Bioreaktoren f\u00fchren Wissenschaftler erste Tests
durch, um daraus biotechnologische Verfahren im
Industriema\u00dfstab zu entwickeln. (© BIOPRO\/B\u00e4chtle)”><\/td>\n<\/tr>\n
Zu sehen sind zwei H\u00e4nde, die aus einem Bioreaktor
eine Probe Zellkultur abnehmen. Mit solchen Labor-
Bioreaktoren f\u00fchren Wissenschaftler erste Tests
durch, um daraus biotechnologische Verfahren im
Industriema\u00dfstab zu entwickeln. (© BIOPRO\/B\u00e4chtle)<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<\/div>\n

Obwohl Kunststoffproduzenten schon fast 75 Jahre Erfahrung bei der Herstellung und Verarbeitung von Polyamiden haben, sto\u00dfen sie immer mehr an Grenzen. Der Forschritt fordert Polyamide mit besseren Eigenschaften \u2013 doch die langen Molek\u00fclketten lassen sich nicht beliebig biegen, ziehen, pressen oder erhitzen. Um das Anwendungsspektrum der Polyamide zu erweitern, m\u00fcssen Neuentwicklungen erarbeitet werden. Das Nylon der Zukunft soll Werkstoffeigenschaften wie Schlagfestigkeit, Zugfestigkeit, Hitzebest\u00e4ndigkeit in einer Art und Weise kombinieren, die es bislang nicht gibt. Die Polyamide von morgen sollen noch besser verformbar und dennoch mechanisch stabil sein, sie sollen Umwelteinfl\u00fcssen beharrlich trotzen und sich trotzdem gut anf\u00fchlen.<\/p>\n

Das Geheimnis der Eigenschaften eines Polyamids schlummert ma\u00dfgeblich in den Grundstoffen, aus denen ein Polyamid aufgebaut ist. Entweder kommen Aminos\u00e4uren zum Einsatz oder die Entwickler greifen zu Mischungen aus Diaminen und Dicarbons\u00e4uren. In beiden F\u00e4llen finden sich in den Grundstoffen genau die funktionellen Gruppen, die f\u00fcr die Polymerisierungsreaktion, also die chemische Synthese eines Polyamids, essenziell sind.<\/p>\n

Im Clusterprojekt “Biobasierte Polyamide durch Fermentation” widmen sich die Projektpartner unter Federf\u00fchrung der BASF SE der biologischen Synthese von Diaminen. Unter ihnen gibt es n\u00e4mlich einige technisch interessante Varianten, die bislang nur unter hohem Aufwand chemisch-synthetisch hergestellt werden k\u00f6nnen. Zu den hoffnungsvollen Kandidaten z\u00e4hlt das Diaminopentan, \u00fcber das bereits der Erfinder des Nylons, Wallace Carothers, Mitte der 1930er Jahre sagte, dass es sehr gute Eigenschaften bes\u00e4\u00dfe. Als Grundstoff f\u00fcr Polymere konnte es sich bisher dennoch nicht durchsetzen \u2013 es war schlicht zu teuer.<\/p>\n

Doch der Fortschritt ver\u00e4ndert die Bedingungen. Diaminopentan hat wieder das Interesse der Kunststoffindustrie geweckt, weil von einem chemisch eng verwandten Molek\u00fcl inzwischen biotechnologisch mehr als 100.000 Tonnen pro Jahr hergestellt werden. Die Rede ist von Lysin, einer f\u00fcr Mensch und Tier lebenswichtigen Aminos\u00e4ure. Die BASF SE und das Institut f\u00fcr Bioverfahrenstechnik der TU Braunschweig widmen sich daher zwei zentralen Fragen: Wie kann die biotechnologische Produktion von Diaminopentan \u00fcber die Zwischenstufe Lysin wirtschaftlich realisiert werden? Und: Welche neuen Polyamide lassen sich aus Diaminopentan ableiten?<\/p>\n

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\"Dasfingerdicke Polyamid-Rohmaterial. Aus
Polyamiden werden unter anderem
Textilfasern hergestellt. Das Bild zeigt
das Rohmaterial. (© BIOPRO\/B\u00e4chtle)”><\/td>\n<\/tr>\n
Das Bild zeigt das aufgerollte, etwa
fingerdicke Polyamid-Rohmaterial. Aus
Polyamiden werden unter anderem
Textilfasern hergestellt. Das Bild zeigt
das Rohmaterial. (© BIOPRO\/B\u00e4chtle)<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<\/div>\n

Schl\u00fcsselstelle Stoffwechsel<\/b>
Sollen Mikroorganismen oder Zellen f\u00fcr die Produktion von Gundsubstanzen wie Diaminopentan effizient genutzt werden, kommt zwei Fachdisziplinen eine wichtige Rolle zu: Systembiologie und Metabolic Engineering. Die Systembiologie analysiert Stoffwechselwege und erstellt mathematische Modelle \u00fcber Stoffstr\u00f6me und Stoffums\u00e4tze \u2013 sie liefert also die stoffwechselphysiologische Visitenkarte einer Zelle. Grundlage f\u00fcr derartige Modelle sind Daten \u00fcber das Erbgut eines Organismus\u2019 und die Mechanismen der Genregulation, aber auch Kennzahlen \u00fcber die Kinetik von Enzymreaktionen sowie Stoffkonzentrationen.<\/p>\n

So wurde zum Beispiel der Lysinsyntheseweg des Mikroorganismus’ Corynebacterium glutamicum in den vergangenen Jahren exakt analysiert. Zumindest f\u00fcr dieses Bakterium sind die Stellschrauben des Lysinstoffwechsels heute bekannt. Der \u00dcbergang von der Glykolyse zum daran paralell angekoppelten Pentosephosphatweg sowie die Produktion von Oxalacetat und Aspartat sind die wichtigsten Schl\u00fcsselstellen.<\/p>\n

Metabolic Engineering<\/b>
Meistens sind die Stoffwechselwege, die die Natur angelegt hat, nicht ideal f\u00fcr industrielle Produktionsverfahren. Es gibt Engstellen, Umwege, Nebenreaktionen, Sackgassen \u2013 Faktoren, die die Ausbeute schm\u00e4lern. F\u00fcr das Leben unter nat\u00fcrlichen Bedingungen sind diese Variationsm\u00f6glichkeiten wichtig, weil sie einem Organismus Spielr\u00e4ume schaffen. Im Bioreaktor ist Flexibilit\u00e4t jedoch ein unerw\u00fcnschter Luxus, es z\u00e4hlen allein hohe Produktionsraten. Diese k\u00f6nnen nur dann erreicht werden, wenn der Stoffwechsel einer Zelle an den entscheidenden Stellen modifiziert und auf das gew\u00fcnschte Produkt fokussiert wird. Mit dieser Aufgabe befasst sich das so genannte Metabolic Engineering. Es entwickelt den Stoffwechsel nach Ma\u00df.<\/p>\n

Welchen Einfluss das Metabolic Engineering auf das Produktionsverhalten eines Organismus\u2019 haben kann, zeigen folgende zwei Beispiele. Bei Corynebacterium glutamicum kann die Lysinbildung um 50 Prozent gesteigert werden, wenn das Gen f\u00fcr das Enzym Pyruvatcarboxylase \u00fcberm\u00e4\u00dfig exprimiert wird. Pyruvatcarboxylase setzt Pyruvat, ein Endprodukt der Glykolyse, zu Oxalacetat um. Dieses wiederum ist eine wichtige Vorstufe f\u00fcr die Lysinsynthese. Entfernt man hingegen das Pyruvatcarboxylase-Gen, bricht die Lysinsynthese ein.<\/p>\n

Des Weiteren fanden Wissenschaftler heraus, dass sie die Lysinproduktion um 40 Prozent verbessern k\u00f6nnen, wenn sie den zweiten Reaktionsschritt in der Glykolyse blockieren. Sie legten das Enzym Phosphohexose-Isomerase lahm und zwangen die Zelle, sich einer Nebenstrecke des Zuckerstoffwechsels zu bedienen \u2013 dem Pentosephosphatweg. Mit dieser Ma\u00dfnahme verringerten sie Nebenreaktionen und steigerten zudem die Produktion an NADP \u2013 ein Molek\u00fcl, das f\u00fcr die Lysinsynthese unverzichtbar ist.<\/p>\n

L\u00e4stige Anh\u00e4ngsel abspalten<\/b><\/p>\n

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\"Strukturformel<\/td>\n<\/tr>\n
Strukturformel der Aminos\u00e4ure L-Lysin (© Wikipedia)<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<\/div>\n
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\"Strukturformel<\/td>\n<\/tr>\n
Strukturformel von Diaminopentan (© Wikipedia)<\/td>\n<\/tr>\n<\/table>\n<\/div>\n



Diese Produktionszuw\u00e4chse an Lysin sind wertvoll, aber dennoch nur die halbe Miete auf dem Weg zu neuen Polyamiden. Am Ende des biotechnologischen Prozesses soll schlie\u00dflich nicht Lysin, sondern Diaminopentan stehen. Lysin besitzt gegen\u00fcber Diaminopentan lediglich ein zus\u00e4tzliches Anh\u00e4ngsel aus Kohlenstoff und Sauerstoff \u2013 eine so genannte Carboxylgruppe. Mit den richtigen Modifikationen im Stoffwechsel von Corynebacterium glutamicum l\u00e4sst sich die \u00fcberz\u00e4hlige Carboxylgruppe bereits in der Zelle abspalten. Damit sind die Biotechnologen der fermentativen Produktion von Diaminopentan bereits einen gro\u00dfen Schritt n\u00e4her gekommen.<\/p>\n

Vom Diaminopentan zum praxistauglichen Polyamid<\/b>
Trotz der bereits erzielten Erfolge bleiben noch einige Fragen offen, die nun im Projekt “Biobasierte Polyamide durch Fermentation” bearbeitet werden. So soll die Ausbeute an Diaminopentan gesteigert werden, indem die aktuell verf\u00fcgbaren Methoden aus der Systembiologie und dem Metabolic Engineering weiterentwickelt werden. Aus dem biotechnologisch gewonnenen Diaminopentan sollen anschlie\u00dfend praxistaugliche Polyamide produziert werden. Projektpartner aus der kunststoffverarbeitenden Industrie, wie zum Beispiel die Fischerwerke GmbH, aber auch Endanwender wie die Robert Bosch GmbH oder die Daimler AG werden mit den neuen Polyamiden umfangreiche Tests durchf\u00fchren. Die Akteure ber\u00fccksichtigen somit alle Schritte der Wertsch\u00f6pfungskette: von der biobasierten Herstellung des Basisstoffs, \u00fcber die Entwicklung neuer Rohpolymere, Verbundstoffe und Zwischenprodukte bis hin zum Endprodukt in Fahrzeugen, Bauelementen oder Spielzeugen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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