Enzymkatalysierte Synthese von Polyamid-Präpolymeren

Polyamide wie Nylon haben als thermoplastische Werkstoffe eine große industrielle Bedeutung. Nicht nur Alltagsprodukte wie Strümpfe, Bürsten, Seile, Netze, Schläuche oder Schutzkleidung werden daraus gefertigt, sondern auch Komponenten für die Automobil- und Elektronikindustrie.

Stand der Technik

Die Herstellung erfolgt bisher mittels chemisch-katalysierter Polykondensation: Ausgehend von zwei methanolischen Lösungen von zuvor petrochemisch hergestellten Dicarbonsäuren und Diaminen wird zunächst ein Diamin-Dicarbonsäure-Salz als Monomer erzeugt. Nach Abtrennung und Trocknung des Salzes erfolgt in konzentrierter Lösung dessen Polykondensation bei hohen Temperaturen und Drücken. Je nach molekularer Zusammensetzung des Salzes werden dabei unlösliche Polyamid-Präpolymere mit unterschiedlichen Eigenschaften gebildet. Die Präpolymere müssen wiederum aus der Lösung abgetrennt, aufgereinigt und getrocknet werden, um sie zu Polyamiden weiterzuverarbeiten.

Technologie

Neue biotechnologische Verfahren erlauben inzwischen die mikrobielle Herstellung von Dicarbonsäure und Diamin in wässriger Fermentationslösung auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Für die direkte Kondensation dieser biobasierten Monomere zu Polyamid-Präpolymeren haben Forschende vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des KIT einen neuen nachhaltigen Syntheseweg entwickelt. Hierbei reagieren die in wässriger Lösung vorliegenden Monomere direkt ohne das Zwischenprodukt Salz und ohne Lösungsmitteleinsatz zu Polyamid-Präpolymeren definierter Länge. Die Polymerisationsreaktion bei Raumtemperatur und unter Normaldruck wird nach Vereinigung der Dicarbonsäure- / Diamin-haltigen Lösungen durch Zugabe geeigneter Enzyme initiiert. Bei der enzymatischen Synthese werden die gebildeten Polyamid-Präpolymere ab einer bestimmten Kettenlänge unlöslich und fallen aus. Sie können zuletzt durch Zentrifugieren oder Filtern abgetrennt und nach dem Trocknen wie bisher zu Polyamiden weiterverarbeitet werden.

Vorteile

Das vom KIT entwickelte Verfahren erlaubt die direkte Verwendung der wässrigen Dicarbonsäure- bzw. Diamin-haltigen mikrobiellen Fermentationsüberstände ohne vorherige Aufreinigung. Durch den Verzicht auf Lösungsmittel, auf hohe Temperaturen und Drücke sowie auf die Salzherstellung kommt das neue Verfahren mit reduzierten Prozessschritten und niedrigerem Energiebedarf aus.

Optionen für Unternehmen

Die Machbarkeit des Verfahrens wurde im Labormaßstab mit kommerziell erhältlichen Enzymen nachgewiesen. Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und Skalierung des enzymatischen Verfahrens mit dem Ziel einer vollständig biobasierten Herstellung von Polyamiden.