14 November 2008

Acrylglas aus Zucker, Alkohol oder Fettsäuren

Neues Enzym für biotechnologische Kunststoffherstellung

Polymethylmethacrylat (kurz PMMA) – besser bekannt als Acrylglas – könnte künftig aus natürlichen Rohstoffen wie Zucker, Alkohol oder Fettsäure hergestellt werden. PMMA wird durch Polymerisierung von Methylmethacrylat (MMA) hergestellt. Wissenschaftler der Universität Duisburg-Essen und des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) haben in einem Bakterienstamm ein Enzym gefunden, das zur biotechnologischen Herstellung einer Vorstufe von MMA dienen kann. Ein biotechnisches Verfahren ist im Vergleich zum bisherigen chemischen Herstellungsprozess wesentlich umweltfreundlicher.

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Duisburg-Essen und Dr. Roland Müller vom
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).
Foto: Klaus-D. Sonntag/fotoplusdesign

Für die Entdeckung wurde Dr. Thore Rohwerder als einer von drei Kandidaten für den Europäischen Evonik-Forschungspreis nominiert. Schirmherr des Wettbewerbs ist Dr. Arend Oetker, Präsident des Stifterverbandes für die Deutsche Wissenschaft. Mit dem Preis sollen junge Forscher ermutigt werden, den Schritt aus den Laboren heraus in die Wirtschaft zu wagen. Das Thema des Evonik-Forschungspreises 2008 lautet “Weiße Biotechnologie” (Industrielle Biotechnologie). Der mit 100.000 Euro dotierte Science-to-Business Award ging am 12. November 2008 in Berlin an Dr. Paul Dalby vom University College London. Dalby hat eine Methode entwickelt, Enzyme miteinander zu kombinieren und maßgerecht auf neue Aufgaben zuzuschneiden.

Mit dem von Dr. Thore Rohwerder und Dr. Roland H. Müller neu entdeckten Enzym, bezeichnet als 2-Hydroxyisobutyryl-CoA Mutase, ist es möglich, einen linearen C4-Kohlenstoff-Körper in einen verzweigten zu überführen. Solche Verbindungen sind Vorstufen für MMA. Ausgangsverbindungen dafür können Zwischenprodukte der petrochemischen Industrie sein. Das Revolutionäre ist aber, dass dieses Enzym, eingebaut in den Stoffwechsel geeigneter Mikroorganismen, auch Zucker und andere natürliche Verbindungen zu den gewünschten Produkten wandeln kann. Bislang konnte diese Vorstufe – 2-Hydroxyisobutyrat (2-HIBA) – nur in einem rein chemischen Prozess auf Basis petrochemischer Rohstoffe hergestellt werden.

Um zukünftig auch nachwachsende Rohstoffe als Basis für die MMA-Synthese einsetzen zu können, wird in der chemischen Industrie weltweit nach geeigneten Bioprozessen gesucht. Die Lösung bietet sich mit der hier vorgestellten Mutase an – also mit einem Enzym, das eine funktionelle Gruppe innerhalb desselben Moleküls an einen anderen Bindungsort verschiebt. Dr. Thore Rohwerder hatte das Enzym während seiner Postdoc-Zeit im Department Umweltmikrobiologie des UFZ zusammen mit seinem Betreuer Dr. Roland H. Müller in einem neu isolierten Bakterienstamm gefunden, der bei der Suche nach Bakterien entdeckt wurde, die den Schadstoff MTBE (Methyltertiärbutylether) abbauen.

Künftig bis zu 10% des MMA aus Biotech-Produktion?
Insgesamt ist vorstellbar, mittel- bis langfristig bis zu zehn Prozent des heutigen Bedarfs an MMA biotechnologisch abzudecken, begründet die Jury die wirtschaftliche Bedeutung der Entdeckung. Heute liegt der Weltmarkt bei über 3 Millionen Tonnen bzw. 4 Milliarden Euro. Um das bakterielles System in einem funktionierenden technologischen Verfahren (Pilotanlage) zu etablieren, braucht es ca. vier Jahre. In etwa zehn Jahren wäre dann ein technologischer Prozess mit einem jährlichen Umsatz von 150 bis 400 Millionen Euro denkbar.

PMMA ist ein synthetischer Kunststoff, der 1928 entwickelt wurde und heute in großen Mengen hergestellt wird. PMMA wird umgangssprachlich oft Acrylglas genannt, weil es vor allem als splitterfreier und leichter Ersatz für Glas dient – beispielsweise bei Schutzbrillen oder in Fahrzeugleuchten. PMMA wird vielfältig eingesetzt, unter anderem für Prothesen, für Lacke und Klebstoffe. Es wird auch unter den Markennamen “Plexiglas” (Evonik) oder “Altuglas” (Arkema) vertrieben. In der ehemaligen DDR wurden für den Kunststoff Begriffe verwendet wie “O-Glas” (für “organisches Glas”) oder “Piacryl” (nach dem einzigen Hersteller in der DDR, den Stickstoffwerken Piesteritz bei Wittenberg). Der Kunststoff ist zwar bruchempfindlich, aber dafür sehr UV-resistent und damit witterungsbeständig. Die hohe Lichtdurchlässigkeit und das geringere Gewicht sorgen dafür, dass das klassische Glas teilweise von Acrylglas verdrängt wurde. Bereits 1970 ist das Olympiastadion in München damit überdacht worden. Experten rechnen damit, dass der Bedarf an Acrylglas in Zukunft noch wachsen wird – beispielsweise für Photovoltaik-Anlagen.

Kontakt
Dr. Thore Rohwerder
Universität Duisburg-Essen
Tel.: 0203-379-15 89
Lebenslauf und Publikationen

Dr. Roland H. Müller
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ)
Telefon: 0341-235-13 37
Lebenslauf und Publikationen

Source: Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), Pressemitteilung, 200811-13.

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