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Bakterien erzeugen biobasierten Klebstoff aus Glukose statt aus Erdöl
Viele Heißklebstoffe bestehen bis heute aus erdölbasierten Kunststoffen, die sich nach der Nutzung nur schlecht abbauen. Forscher haben nun Escherichia coli so umgebaut, dass die Bakterien aus Glukose zwei neue Biopolymere mit Heißkleber-Eigenschaften herstellen. Einer der Stoffe erreichte auf Edelstahl eine ähnliche Scherfestigkeit wie ein kommerzieller EVA-Klebstoff und ließ sich mehrfach erneut aufschmelzen.
Daejeon (Südkorea). Heißschmelzklebstoffe werden als feste Materialien erhitzt, im geschmolzenen Zustand aufgetragen und härten beim Abkühlen aus. Sie kommen unter anderem in Verpackungen, Möbeln und Elektronik zum Einsatz, weil sie schnell haften und keine organischen Lösungsmittel benötigen.
Viele handelsübliche Varianten beruhen jedoch auf erdölbasierten, kaum abbaubaren Polymeren, was selbst bei biologisch abbaubaren Verpackungen zum Problem werden kann. Bleibt der Klebstoff als beständiger Fremdstoff zurück, kann er die Abbaubarkeit und Wiederverwertung des gesamten Verbunds beeinträchtigen. Eine mögliche Alternative sind Polyhydroxyalkanoate, kurz PHA, die Mikroorganismen aus erneuerbaren Kohlenstoffquellen herstellen können.
Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) um Professor Sang Yup Lee haben Escherichia coli so verändert, dass die Bakterien zwei neuartige aromatische PHA aus Glukose bilden. Der erste Kunststoff kombiniert 4-Hydroxybutyrat (4HB) mit Phenyllactat (PhLA), der zweite enthält zusätzlich 3-Hydroxybutyrat (3HB). 4HB erhöht die Beweglichkeit der Polymerketten und damit die Haftung, während PhLA die Ketten steifer macht und die Hitzebeständigkeit verbessert.
Das Team hat dafür mehrere Stoffwechselwege in den Bakterien neu verschaltet und die Bildung der Ausgangsstoffe computergestützt optimiert. In Fermentationen erreichten die besten Stämme 10,2 Gramm pro Liter des 4HB-PhLA-Copolymers und 52,8 Gramm pro Liter des 3HB-4HB-PhLA-Terpolymers. Bei dem ersten Material erwies sich ein Anteil von ungefähr 24 bis 34 Molprozent 4HB als günstiger Bereich für Produktion, Glasübergang und Haftung.
Im Schertest auf Edelstahl erreichte das 4HB-PhLA-Polymer eine Haftfestigkeit von 4,58 Megapascal, während der zum Vergleich getestete Ethylen-Vinylacetat-Klebstoff (EVA) auf 4,20 Megapascal kam. Die Forscher bewerten die anfängliche Scherfestigkeit unter den geprüften Bedingungen daher als vergleichbar mit kommerziellen Klebstoffen.
Auf Holz zeigte sich ein anderes Verhalten, denn dort erreichte das 3HB-4HB-PhLA-Terpolymer 1,76 Megapascal und lag damit nahe bei EVA mit 1,88 Megapascal. Das 4HB-PhLA-Polymer haftete auf Holz dagegen deutlich schwächer. Das Terpolymer ließ sich außerdem zu einem zehn Millimeter dicken Klebestift formen und mit einer gewöhnlichen Klebepistole auftragen, während diese Verarbeitung beim Metallklebstoff wegen geringer Viskosität und begrenzter Kristallinität noch nicht gelang.
Ob die neuen Stoffe erneutes Erwärmen vertragen, prüfte das Team durch wiederholtes Aufschmelzen des 4HB-PhLA-Polymers auf Edelstahl. Nach dem zweiten Zyklus blieben rund 97,4 Prozent der ursprünglichen Haftfestigkeit erhalten, nach dem fünften waren es noch 62,7 Prozent. Die Wiederverwendung ist damit prinzipiell möglich, geht bei häufigem thermischen Recycling aber mit einem deutlichen Festigkeitsverlust einher.
Weitere Praxistests zeigten ebenfalls Unterschiede zu EVA. Beide neuen Polymere hatten deutlich längere offene Zeiten, in denen ein geklebtes Teil nach dem Auftrag noch positioniert werden kann. Ihre Schälfestigkeit war dagegen in einem Versuch mit PET-Folie und Edelstahl geringer. Besonders das 4HB-PhLA-Polymer besitzt zudem ein vergleichsweise niedriges Molekulargewicht, was Kriechfestigkeit, Zähigkeit und Verarbeitung unter anspruchsvollen Bedingungen begrenzen kann.
Die Forscher prüften außerdem mit einer Lipase, ob sich die neuen Polymere unter kontrollierten Laborbedingungen enzymatisch angreifen lassen. Nach 96 Stunden zeigten die Oberflächen Poren und zunehmende