Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Biomimetischer Synthesekautschuk BISYKA
Im Forschungsprojekt »Biomimetischer Synthesekautschuk – BISYKA« kamen Forscherinnen und Forscher den Geheimnissen des Naturkautschuks auf die Spur. Obwohl Synthesekautschuk seit Beginn des 20. Jahrhunderts produziert und stetig optimiert wird, können sich seine mechanischen Eigenschaften nicht mit den einzigartigen Charakteristika des Naturkautschuks messen. Ein Konsortium verschiedener Fraunhofer-Institute stellte sich daher der Herausforderung, die Ursachen für diese wertvollen Eigenschaften des Naturkautschuks zu erforschen und diese auf den Synthesekautschuk zu übertragen. Das Produkt -erste Testreifen- wiesen in validierten Leistungsprüfungen ein entscheidend verbessertes Eigenschaftsprofil auf, beispielsweise rund 30 Prozent weniger Abrieb.
Eine Kernkompetenz des Fraunhofer IME in Münster ist die Erforschung der Naturkautschukbiosynthese in Löwenzahn. Hierauf bauten die Forscherinnen und Forscher auf, um der Frage nachzugehen, welche Komponenten im Naturkautschuk für die einzigartigen Charakteristika wie beispielsweise die Dehnungskristallisation des Naturkautschuks verantwortlich sind.
Hierfür zerlegten sie den Kautschuk aus Löwenzahn zunächst in seine Einzelkomponenten: Poly(cis-1,4-Isopren), Proteine und Lipide. Bei den lipophilen Substanzen handelt es sich hauptsächlich um die Untergruppen der Triterpene/Triterpenoide und Phospholipide. Sie könnten für die Kautschukpartikel, in denen die Biosynthese und Lagerung des Polymers stattfinden, emulgierend wirken. Die vorhandenen Proteine zeichnen sich durch ihre Membranaktivität aus, das heißt sie interagieren mit Komponenten der Zellmembranen beispielsweise den Phospholipiden. Diese Interaktionen führen zu einer Stabilisierung der Kautschukpartikel.
Analysen von Naturkautschukproben, aus denen die Forschenden die Begleitsubstanzen Lipide und Proteine entfernten, zeigten Einflüsse auf die einzigartigen mechanischen Eigenschaften des Naturkautschuks. Werden zum Beispiel die Phospholipide aus dem Naturkautschuk entfernt, ist die Dehnungskristallisation deutlich erniedrigt. Im nächsten Schritt versetzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun Synthesekautschuk mit verschiedenen Mengen der einzelnen Begleitsubstanzen und beobachteten eindeutige Effekte auf die Dehnungskristallisation. Bereits die Zugaben sehr geringer Mengen (unterhalb von 1%) beispielsweise an bestimmten Phospholipiden zu definierten Mischungen waren effektiv.
In Münster entwickelten die Expertinnen und Experten daher ein Herstellungsverfahren für die Begleitsubstanzen, das in großen Maßstäben umsetzbar ist. So gelang die Produktion größerer Mengen des bioadditivierten Isoprenkautschuks und ermöglichte dem Konsortium die Herstellung erster Testreifen mit dem neuen biomimetischen Synthesekautschuk. In validierten Leistungsprüfungen wiesen diese ohne auf andere Qualitätsmerkmale zu verzichten rund 30 Prozent weniger Abrieb auf. Die Verwendung von »BISYKA« Kautschuk bei der Reifenfertigung könnte zukünftig einen wertvollen Beitrag zur Minimierung des Eintrags von Gummiabrieb in die Umwelt leisten.
Mit »BISYKA« gelang durch Bündelung der lebens- und ingenieurwissenschaftlichen Expertisen innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft weltweit erstmalig der Transfer der einzigartigen biologischen Eigenschaften von Naturkautschuk auf sein technisches Pendant Synthesekautschuk.