I allmänhet, plaster bearbetas i långt över hundra grader Celsius. Enzymer, däremot klarar vanligtvis inte dessa höga temperaturer. Forskare vid Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP har lyckats förena dessa motsägelser:De kan bädda in enzymer i plast utan att enzymerna förlorar sin aktivitet i processen. Potentialerna detta skapar är enorma.

Material som rengör sig själva, har mögelhämmande ytor eller till och med är självnedbrytande är bara några exempel på vad som blir möjligt om vi lyckas bädda in aktiva enzymer i plast. Men för att de enzymspecifika egenskaperna ska överföras till materialen, enzymerna får inte ta skada då de är inbäddade i plasten. Forskare vid Fraunhofer IAP har utvecklat en lösning på problemet som en del av projektet "Biofunctionalization/Biologization of Polymer Materials BioPol". Sedan sommaren 2018, projektet har pågått i samarbete med BTU Cottbus-Senftenberg. Vetenskapsministeriet, Forskning och kultur i delstaten Brandenburg finansierar projektet.

"Det stod klart från början att vi inte var ute efter att producera biofunktionaliserad plast i laboratorieskala. Vi ville ta ett jättesteg för att visa att teknisk produktion är möjlig, " säger Dr. Ruben R. Rosencrantz, Chef för avdelningen "Biofunctionalized Materials and (Glyco)Biotechnology" på Fraunhofer IAP, sammanfattar de ambitiösa projektmålen. I mitten av projektet, stora genombrott håller redan på att dyka upp:enzymer har framgångsrikt bäddats in, både när det gäller själva enzymerna och bearbetningstekniken.

Oorganiska skyddsbärare för högre temperaturstabilitet

Söker ett sätt att stabilisera enzymerna, forskarna använder oorganiska bärare. Dessa bärare fungerar som ett slags skydd för enzymet. Som Rosencrantz förklarar:"Vi använder oorganiska partiklar, till exempel, som är mycket porösa. Enzymerna binder till dessa bärare genom att bäddas in i porerna. Även om detta begränsar enzymernas rörlighet, de förblir aktiva och klarar mycket högre temperaturer."

Rosencrantz stressar, dock, att det inte finns någon allmänt tillämpbar stabiliseringsprocess:"Inga enzymer är likadana. Bäraren och den teknik som är mest lämpad för inbäddningsprocessen förblir enzymspecifika."

Stabiliserade enzymer:inte bara på plastytan, men inuti också

Forskarna sökte medvetet ett sätt att applicera de stabiliserade enzymerna inte bara på plastens yta, utan att bädda in dem i plasten direkt. "Även om det är mycket svårare, denna teknik förhindrar också tecken på slitage på materialytan som påverkar plastens funktionalitet, " förklarar Thomas Büsse som leder institutets pilotanläggning för bearbetning av biopolymerer i Schwarzheide.

För att uppnå ett optimalt materialresultat i nedströmsprocessen, de stabiliserade enzymerna måste distribueras så snabbt som möjligt i den heta plastsmältan som de tillsätts, utan att utsättas för överdriven kraft eller förhöjda temperaturer. En balansgång som tippade till Büsses fördel:"Vi har utvecklat en process som lämpar sig för både bioplaster och för de konventionella petroleumbaserade plasterna som polyeten. Våra undersökningar visar också att en gång inbäddad i plasten, stabiliserade enzymer kan motstå högre termiska belastningar än tidigare. Detta gör användningen av enzymer och alla processsteg avsevärt enklare."

Självrengörande plaster är bara början

Tills nu, forskarna vid Fraunhofer IAP har utvärderat främst proteaser som deras val av enzym. Proteaser kan bryta upp andra proteiner. Detta ger plasten som funktionaliseras av dessa proteaser en självrengörande effekt. Rör, till exempel, skulle inte stänga upp eller täppa till lika lätt. Men även andra enzymer testas systematiskt. Samarbetspartnerna på BTU Cottbus-Senftenberg fokuserar mer på enzymer för nedbrytande plaster och giftiga ämnen, till exempel.

De första funktionaliserade plastgranulaten, filmer och formsprutningskroppar har redan tillverkats. Forskarna har konstaterat att enzymerna som är inbäddade i dessa produkter förblir aktiva. Nästa steg nu är att testa och ytterligare optimera processen för dagligt bruk i olika applikationer. Rosencrantz och Büsse är optimistiska — och har även lämnat in en patentansökan för sin forskning.