Viele Mikroorganismen sind in der Lage, Polyhydroxybutyrat als Speicherstoff herzustellen. Dieses natürliche, bioabbaubare Polyester kann fossile Polymere in einigen Anwendungen ersetzen, ist aber nicht in allen Eigenschaften diesen äquivalent. Durch Stammengineering oder die Synthese der chiralen Bausteine für chemische Polymerisation entwickeln wir neue PHB-Varianten mit maßgeschneiderten Eigenschaften für breitere Anwendungen. Für eine kostengünstige Produktion dieser Polymere nutzen wir die Möglichkeit der Akkumulation des PHBs in Zellen aus stark verdünnten biogenen Abfallströmen und führen diese einer stofflichen Nutzung zu.

Mikroorganismen können Teil von Biohybridmaterialien sein. Die Eigenschaften dieser Materialien lassen sich gezielt durch die Auswahl und Veränderung der eingesetzten Mikroorganismen beeinflussen. Am Lehrstuhl für Chemie Biogener Rohstoffe werden entsprechende Biohybridmaterialien untersucht und deren Eigenschaften optimiert. Durch die Verwendung mikrobieller Biomasse sind die Materialien nachhaltig. Es können beispielsweise Zellen aus industriellen Fermentationsprozessen verwendet werden, um eine höherwertige Verwertungsmöglichkeit neben der thermisch/energetischen Verwertung zu schaffen. Die Zellen können als Plattform für Funktionalisierung des Materials betrachtet werden. Die Funktion natürlicher oder rekombinanter Proteine wird im Material konserviert und makroskopisch nutzbar.

Bei der stofflichen Nutzung von Erdöl nimmt die Herstellung von Materialien bzw. Polymeren einen großen Anteil ein. Genauso bietet die stoffliche Nutzung von Biomasse für die Herstellung von Polymeren ein großes Potential. Neben biogenen Polymeren, die direkt von Mikroorgansimen oder Pflanzen hergestellt werden, ist die Produktion der Monomere aus biogenen Rohstoffen mit anschließender chemischer Polymerisation ein effizienter Weg, eine echte CO2 Senke zu erhalten. Wichtig dabei ist, dass nicht allein sog. Drop-In Monomere erzeugt werden, die 1:1 die erdölbasierten Monomere ersetzen sollen. Ethylen für Polyethylen aus Glukose macht mit einer Massenausbeute von nur 30 % keinen Sinn und würde sich weder wirtschaftlich rechnen, noch wäre es tatsächlich ökologisch. Oxygenierte Monomere wie Butandiol, Bernsteimsäure oder Furandicarbonsäure haben eine besser Massenbilanz und können aus Biomasse effizienter hergestellt werden, als aus fossilen Rohstoffen. Besonders interessant wird es, wenn die biogenen Rohstoffe Eigenschaften mitbringen, die man nicht in den Molekülen der fossilen Rohstoffen findet, mit denen man also ganz neue Polymer- bzw. Materialeigenschaften bekommt.

Folgende Beispiele geben einen Eindruck zu unseren hierzu laufenen Aktivitäten:

  • In unseren Arbeiten an synthetischen chemo-enzymatischen Reaktionswegen haben wir beispielsweise neue Reaktionsrouten zu 1,4-Butandiol, 2,3-Butandiol, Isobutanol oder Acetoin aus Zuckern entwickelt.
  • Basierend auf Abfallströmen der Zellstoffindustrie (Terpene) haben wir eine neue Klasse an chiralen Polyamiden entwickelt, die in Eigenschaften wie Härte und Transparenz den fossilen Polymeren überlegen sind.
  • Mit der Optimierung von integrierten Ganzzellbiotransformationsprozessen haben wir langkettige Dicarbonsäuren für biobasierte Polyester und Polyamide bereitgestellt.