Projekt 11208/01

Einsatz von biologisch abbaubaren Biopolymeren (PHB) als Ersatzmaterial für Polystyrol bei der Anwendung immunologischer Testsysteme

Projektdurchführung

pab productions
Bürgermeister-Herzog-Str. 5
85241 Hebertshausen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Testsysteme in Medizin, Forschung und verschiedenen Bereichen der Analytik werden auf Material aus Polystyrol durchgeführt. Allein bei der Verbrennung des Kunststoffes aus diesem Bereich entstehen jährlich 32000 Tonnen Kohlendioxid. Ziel des Vorhabens war es deshalb, das in diesem Bereich verwandte Polystyrol durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen, die dennoch vergleichbare analytische Eigenschaften haben sollten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden unterschiedliche Formulierungen der nachwachsenden Rohstoffe Polyhydroxybuttersäure (PHB) und Polylactid (PLA) hergestellt, die als Polymermatrix für den Ersatz von Polystyrol in immunologischen Testverfahren dienen sollten. Dabei wurden als Formkörper der Festphase Mikrotiterplatten aus transparentem Material und Immunosticks aus nichttransparenter Matrix gewählt. Zunächst wurden Formulierungen für den Einsatz adhäsiver Bindung, z.B. von Proteinen insbesondere Antikörpern, mit bereits bestehenden Testsytemen getestet. Als Vergleich für die Bindungskapazität wurden handelsübliche Mikrotiterplatten bzw. Immunosticks eingesetzt. Als Methode der Wahl, um die Eignung der Oberflächen für adhäsive Bindungen zu überprüfen, wurden Enzymimmunoassays eingesetzt. Die Durchführung dieser Tests erfolgte dabei nach bekannten Verfahren.
Weiter sollten Formulierungen erarbeitet werden, die Einlagerungen von funktionellen Gruppen enthalten und somit die Möglichkeit einer spezifischen kovalenten Bindung auch niedermolekularer Substanzen bietet.
Nach der Optimierung der Formulierungen für adhäsive bzw. kovalente Bindung konnten aus den getesteten Granulaten bzw. Strängen Spritzgußprodukte mit reproduzierbarer Oberfläche hergestellt werden.


Ergebnisse und Diskussion

Grundsätzlich läßt sich festhalten, daß die geplanten Ziele im wesentlichen erreicht werden konnten. Durch die Tatsache, daß auf der einen Seite eine Beschichtung von Stärkeformkörpern mit PHB - wie ursprünglich geplant - nicht durchgeführt werden mußte, sich aber auf der anderen Seite die Auswahl der zur Einlagerung geeigneten funktionellen Gruppen sehr schwierig gestaltete, erfolgte eine Umstrukturierung des vorgesehenen Arbeitsplans sowohl hinsichtlich eigener Arbeiten als auch hinsichtlich der notwendigen Fremdleistungspartner.
Für die Optimierung der Testparameter wurde ein deutlich kürzerer Zeitraum benötigt, da im wesentlichen die Parameter übernommen werden konnten, die auch auf Polystyrol gelten.
Dagegen wurde für die Herstellung geeigneter Formulierungen, insbesondere bei der Einlagerung funktioneller Gruppen liefernden Substanzen aufgrund der Polyesterstruktur der Matrizes deutlich mehr Aufwand benötigt.
Vor allem die Erforschung der Oberflächenaktivitäten von Pulver, Pellets, Strängen und Spritzgußteilen war dabei sehr zeitaufwendig. Diese Experimente konnten dahingehend erfolgreich abgeschlossen werden, daß sowohl für adhäsive Anwendungen als auch für die kovalente Bindung von Amino- oder Carboxylgruppen Formulierungen gefunden werden konnten ( für PHB und PLA), die eine geeignete Aktivität der Oberfläche auch nach Weiterverarbeitung durch Spritzgußtechniken aufweisen.
Da bei den optimierten Matrizes Marktanteile gegen seit Jahrzehnten etablierte Produkte erkämpft werden müssen, ist für die Anfangsphase mit einem Anteil von 5 % zu rechnen. Dieser Anteil bedeutet allein für Deutschland eine Kohlendioxidentlastung der Athmosphäre von 1500 Tonnen/Jahr.
Besonders von Bedeutung ist dabei, daß es für die in dem Vorhaben zu substituierenden Einwegmaterialien keine gesetzliche Vorgabe der Verwertung gibt. Alle Abfallprodukte werden letztendlich durch Müllverbrennung entsorgt.
Sowohl PHB als auch PLA sind als Ausgangsprodukte kostenintensiver als Produkte aus fossilen Rohstoffen, jedoch fällt dieser Faktor im Bereich der Analytik und Diagnostik nur mit ca. 1% der Kosten eines Test-kits ins Gewicht. Durch vermehrte Marktanteile können die Produktionskosten der Rohstoffe in Zukunft zusätzlich gesenkt werden. Insbesondere bei PHB läßt sich eine Kostensenkung dadurch herbeiführen, daß der Kohlenstofflieferant Zucker für die Bakterien aus Melasse der Zuckerproduktion gewonnen wird.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Aufgrund der Innovativität der alternativen Polymermatrizes wurde ein PCT- Patent mit der Nr. PCT/EP98/03616 angemeldet. Um diese neue Produktlinie zu präsentieren, erfolgte bereits eine Anmeldung für einen eigenen Messestand auf der Analytica 2000 in München.
Die Ergebisse werden Interessenten durch Messepräsentation, Fachartikel und geeignete Werbung zugänglich gemacht. Zusätzlich werden dabei auch die Kontakte zu entsprechenden Anwendern und die Strukturen der Bayern innovativ oder BioM AG München genutzt werden.


Fazit

Die geplanten Ziele des Förderprojekts konnten erreicht werden, sowohl was die adhäsive Bindung als auch die kovalente für transparente und nichttranparente Matrizes aus den nachwachsenden Rohstoffen PHB und PLA betrifft. Für Produkte mit adhäsiver Bindung konnten vermarktbare Matrizes optimiert werden. Die Einlagerung von funktionellen Gruppen tragenden Substanzen, die in der Polyestermatrix auch nach dem Spritzguß noch zufriedenstellende Bindungskapazität aufweist, bereitet jedoch in Teilbereichen noch Schwierigkeiten. Hierfür wurden zwar Problemlösungen gefunden, dennoch wird im weiteren Produktentwicklungsverlauf noch an verbesserten Formulierungen gearbeitet werden. Dies betrifft besonders die Einlagerung von Carboxygruppen tragenden Substanzen in die Polymermatrix