Am 3. Juli 2025 hatten wir das Vergnügen, Prof. Dr. Lars Blank, Leiter des Instituts für Angewandte Mikrobiologie an der RWTH Aachen, in unserem #CEresearchNRW-Webseminar als Keynote-Speaker zu begrüßen. Er zeigte eindrucksvoll, wie biotechnologische Ansätze dazu beitragen können, Kunststoffe nachhaltiger zu nutzen – innerhalb der planetaren Grenzen.
Warum wir handeln müssen
Prof. Blank begann seinen Vortrag mit einer alarmierenden Feststellung: Sechs der neun planetaren Grenzen, darunter die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre und die Belastung durch synthetische Chemikalien, sind bereits überschritten. Gleichzeitig produziert die weltweite Kunststoffindustrie jährlich über 400 Millionen Tonnen neuen Kunststoff –Tendenz steigend. Der Großteil dieser Kunststoffe wird derzeit nur zu etwa 8 bis 10 % recycelt.
Eine Studie von Prof. André Bardow (ETH Zürich) zeigt: Um innerhalb planetarer Grenzen zu bleiben, müsste die Recyclingquote jedoch auf über 75 % steigen. Der Schluss liegt auf der Hand: Wir müssen weniger Kunststoffe produzieren, sie wiederverwenden und recyceln – und zwar schnell.
Weniger ist mehr: Vermeidung und Wiederverwendung
Neben Recyclingtechnologien sind „Reuse“-Systeme entscheidend. Prof. Blank nannte ein Beispiel aus dem Alltag: In der Mensa der RWTH Aachen können Studierende Mehrwegbehälter für Take-Away-Gerichte nutzen. Ein einfaches, aber wirkungsvolles Prinzip der Kreislaufwirtschaft.
Das Denken, das dahintersteckt, lässt sich mit dem 6R-Prinzip zusammenfassen: Refuse, Rethink, Reduce, Reuse, Recycle, Recover. Erst wenn alle Möglichkeiten zur Vermeidung und Wiederverwendung ausgeschöpft sind, treten Recyclingprozesse in den Vordergrund – mechanisch, chemisch oder biotechnologisch.
Als positives Signal bewertete Prof. Blank die Ergebnisse der UN Ocean Conference in Nizza, die als Nebenergebnis hervorbrachte, dass sich 40 Länder weltweit klar der Einsparung von Plastik bekannt haben. Darüber berichtete z.B. die TAZ. Das zeigt, dass das Problem des Wachstums zumindest als solches anerkannt wird – auch wenn der Weg von einer Idee und Maßnahme der UN hin zu einer praktischen Umsetzung im Alltag noch weit ist.
Seiner Einschätzung zufolge wird die Verbrennung von Kunststoff jedoch auch immer ein Teil des Prozesses bleiben. Je komplexer die Plastikfraktionen, desto weniger rentabel die Entwicklung einer Technologie der Weiternutzung. Fest steht jedoch, dass es notwendig ist, am Ende des Lebenszyklus zumindest die im Produkt enthaltene Energie zurückzugewinnen. Dies ist weltweit noch nicht der Fall. In vielen Ländern wird der Kunststoffmüll bis heute deponiert, auch wenn dies in vielen Teilen Europas, insbesondere in Deutschland, bereits lange verboten ist. Während Deutschland über sehr gute Verbrennungsanlagen verfügt, dominiert die Deponierung weltweit weiterhin.
Von biologischer Abbaubarkeit, neuen Kohlenstoffquellen und Bioplastik
Ein großes Problem sind Kunststoffe, die unkontrolliert in die Umwelt gelangen – sei es in der Landwirtschaft, bei Konsumgütern oder im Bauwesen. Besonders kritisch sind Produkte wie dünne Mulchfolien oder Saatgutbeschichtungen die absichtlich in die Umwelt gebracht werden. Zurück bleibt Mikroplastik, das in Böden und Gewässer übertritt und so in den menschlichen und tierischen Nahrungskreislauf gelangen kann.
Prof. Lars Blank schlägt für solche Fälle das Konzept der „Emergency Biodegradation“ vor: Materialien, die im Gebrauch stabil sind, sich aber bei Umweltfreisetzung innerhalb weniger Jahre vollständig abbauen. Möglich wird dies durch gezielte Änderungen in der Polymerchemie, etwa durch die Einbindung von Esterbindungen oder anderen hydrolyseanfälligen Strukturelementen, die Mikroorganismen als Angriffspunkte dienen.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Kohlenstoffquelle. Prof. Blank macht deutlich, dass Kunststoffe künftig nicht mehr aus Erdöl stammen dürfen. Stattdessen sollten recycelte Materialien, Biomasse und sobald die Energiewende erfolgreich war, CO2 als Kohlenstoffquellen genutzt werden. Genau hier spielt die Forschung an Bioplastik eine zentrale Rolle, denn Mikroorganismen können die neuen Polymere gezielt abbauen und so eine Kreislaufwirtschaft und das genannte „Emergency Biodegradation“ unterstützen.
Trotz des großen Potenzials steckt die Entwicklung von Bioplastik noch in den Anfängen. Ein Blick nach China zeigt, dass dort aktuell intensiv Polylactid (PLA), auch Polymilchsäure genannt und Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) produziert wird. Während PBAT bisher aus fossilen Rohstoffen hergestellt wird, ist eine vollständige biobasierte bzw. biotechnologische Produktion prinzipiell möglich. Im kleineren Maßstab (ca. 10.000 Tonnen) werden nun in 2025 auch Anlagen für bakterielles Plastik, Polyhydroxyalkanoate (PHA), in Betrieb genommen. Der Aufschwung in China wird durch Gesetzesänderungen und hohe Investitionen vorangetrieben und zeigt, wie dringend Innovationen in diesem Bereich weltweit gebraucht werden.
Biotechnologische Innovationen als Schlüssel zur Transformation
Zirkuläres Plastik – diesem Thema widmet sich seit einem Jahr das Werner-Siemens-Stiftungs-Forschungszentrum Catalaix an der RWTH Aachen. Catalaix ist ein Kunstwort aus „Katalyse“ und „Aix La Chapelle“, dem französischen Namen für Aachen. Übergeordnetes Ziel des Forschungszentrums ist es, die chemische Industrie in eine multidimensionale zirkuläre Ökonomie zu überführen – exemplarisch am Beispiel des Plastiks. Ein interdisziplinäres Team arbeitet daran, chemische, katalytische und biotechnologische Verfahren zu kombinieren also unterschiedliche Ansätze, mit denen chemische Reaktionen entweder mithilfe spezieller Katalysatoren oder durch Mikroorganismen gezielt gesteuert und genutzt werden, um den Kohlenstoffkreislauf zu schließen.
Während der Nutzungs- und Recyclingzyklus von Polyethylenterephthalat (PET)-Flaschen eindeutig ist – aus PET-Flaschen werden erneut PET-Flaschen hergestellt – gibt es auch langlebige Kunststoffe, z. B. Hausisolierungen aus Polyurethan (PU) oder Polystyrol (PS), die erst nach 20 oder sogar 50 Jahren in den Kreislauf zurückgelangen. Gerade für diese Kunststoffe ist es wichtig, dass sie auch open-loop recycelt werden dürfen. Das bedeutet, dass der Kohlenstoff in der Wertschöpfung bleibt, aber nicht zwingend das gleiche Polymer wiedergewonnen werden muss. Die Katalyse darf also auch den Weg zu anderen Polymeren oder Monomeren aufzeigen. Entscheidend ist, dass das Verfahren effizient ist und möglichst viel Kohlenstoff im Kreislauf gehalten wird.
Ein gutes Beispiel für solches Verfahren wurde von dem Aachener Forscher Jürgen Klankermayer entwickelt. Er hat Polyethylen (PE) durch Homogenkatalyse zu Laktat umgewandelt, aus dem anschließend Polylactid PLA hergestellt werden kann. Der Kohlenstoff bleibt dabei derselbe – das Molekül wird jedoch ein völlig anderes. Für dieses Verfahren hat er den Werner-Siemens-Stiftungs-Forschungspreis erhalten.
Die Idee zur Katalyse in der Kreislaufwirtschaft, gemeinsam mit Regina Palkovits, ebenfalls von der RWTH Aachen, war Ausgangspunkt für die Förderung des Catalaix-Forschungszentrums.
Von der Mensa zum Mikrobioreaktor – wie Mikroben helfen, Plastik im Kreislauf zu halten
Wie lässt sich Kohlenstoff aus Kunststoffen im Kreislauf führen? Prof. Lars Blank von der RWTH Aachen veranschaulichte diese komplexe Frage mit einem alltagsnahen Beispiel: Ein Mitarbeiter kommt vom Mittagessen in der Mensa zurück – auf dem Teller lagen Reis und Salat, also ganz unterschiedliche biologische Polymere. Während der Verdauung zerlegt der Körper diese in ihre Grundbausteine, die Monomere, und gewinnt daraus Energie für die tägliche Arbeit.
Genau dieses Prinzip wird in der catalaix Forschung verfolgt, nur auf molekularer Ebene und mit Kunststoffen. Im Team wird untersucht, wie sich verschiedene Plastiksorten mithilfe chemischer und biologischer Katalysatoren in ihre Monomere oder abgeleitete Verbindungen zerlegen lassen. Diese Depolymerisation ist der entscheidende Schritt, um Kunststoffe wieder nutzbar zu machen.
Enzyme, also Eiweiße aus der Natur, sind die neuesten Katalysatoren, die durch gezieltes Protein-Engineering weiterentwickelt wurden und nun im PET die Polyesterbindungen spalten können. Eines dieser Enzyme, ursprünglich in einem Komposthaufen entdeckt, kann PET-Kunststoffe aus Verpackungen für Obst und Gemüse bei ca. 65 °C ohne vorherige Behandlung zersetzen. Die dabei entstehenden Plastikhydrolysate werden anschließend in Prof. Blanks Labor gebracht und dienen dort als „Futter“ für Mikroorganismen.
Das Team um Blank arbeitet insbesondere mit dem Bakterium Pseudomonas putida. Dieser Mikroorganismus ist seit Jahrzehnten für seine außergewöhnliche Stoffwechselvielfalt bekannt und kann eine Vielzahl komplexer organischer Verbindungen abbauen. Unter kontrollierten Bedingungen in Bioreaktoren können diese Mikroben effizient kultivieren und nutzen die aus dem Plastikabbau gewonnenen Verbindungen, um daraus wieder neue Substanzen herzustellen, etwa Bioplastik (z. B. PHA) oder andere wertvolle chemische Zwischenprodukte. Das Konzept verfolgt einen biotechnologischen Ansatz zur Schließung des Kohlenstoffkreislaufs: Kunststoffe werden zunächst biologisch oder chemisch in ihre Grundstoffe zerlegt, anschließend übernehmen Mikroben den Aufbau neuer, nachhaltiger Materialien.
Prof. Blank betont, dass solche Lösungen nur im internationalen Maßstab Wirkung entfalten können. In einem europäischen Forschungsprojekt, das er koordinierte, arbeitete sein Team eng mit Partnern aus China zusammen, denn gemeinsam produzieren Europa und China rund die Hälfte des weltweit hergestellten Plastiks. Eine echte Kreislaufwirtschaft lässt sich also nur global umsetzen.
Viele Mischfraktionen sind für Mikroben kein Problem
Besonders spannend ist, dass die Forschenden Mikroben so gezielt aufbauen, dass sie verschiedene Monomere gleichzeitig verwerten können. So kann ein einziger Mikrobenstamm etwa die Monomere von PET, PU, PBAT und weitere Kunststoffabfälle gleichzeitig verstoffwechseln. Diese Vielseitigkeit eröffnet die Möglichkeit, komplexe Plastikmischungen zu nutzen, für die eine Trennung der verschiedenen Polymerfraktionen technisch aufwendig oder unmöglich wäre.
Die Mikroben werden dabei gezielt so programmiert, dass ihre Stoffwechselwege durch das Einbringen, Regulieren oder Ausschalten einzelner Gene angepasst werden. Dadurch können sie nicht nur wachsen, sondern gezielt gewünschte Produkte herstellen. Ein Beispiel ist die gleichzeitige Nutzung von Ethylenglykol und Terephthalsäure, den beiden Hauptbestandteilen von PET, aus denen die Mikroben Biotenside produzieren: Moleküle mit hydrophoben und hydrophilen Bereichen, die in der Industrie vielseitig einsetzbar sind. Durch gezielte Veränderungen einzelner Enzyme lassen sich diese Organismen noch präziser auf bestimmte Produkte optimieren. Auch die wirtschaftliche Perspektive wurde untersucht: Sensitivitätsstudien zeigten, dass die Produktionskosten für Bioplastik aus verschiedenen Polymerfraktionen weitgehend stabil bleiben, solange der Anteil an inertem Material wie Polypropylen unter etwa 50 % liegt. Damit liegen die Kosten im Bereich vergleichbarer Biokunststoffe und zeigen, dass solche biotechnologischen Verfahren nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch sinnvoll sind.
Von der Umwelt ins Labor
Neben der Forschung im Labor arbeitet das Team in Aachen auch eng mit praktischen Initiativen zusammen, wie beispielsweise Everwave, einem Unternehmen und Verein, der sich dem Plastikproblem in Flüssen und Gewässern widmet. Nach starken Regenfällen oder Sturmfluten werden die Expert*innen gerufen, um Müll aus den Flüssen zu entfernen. Ein immer wiederkehrendes Problem, da illegale Mülldeponien in einigen Regionen dazu führen, dass die Gewässer Jahr für Jahr verschmutzt werden. So kamen beispielsweise in Serbien mehrere Jahre hintereinander Teams zum Einsatz.
Die gesammelten Plastikfraktionen gelangen anschließend ins Labor von Prof. Blank, wo er versucht, sie im Sinne der Circular Economy wiederzuverwerten. Besonders gut eignen sich Polyester, die enzymatisch abgebaut und zu Bioplastik weiterverarbeitet werden können. Schwieriger wird es bei komplexen Mischungen, die zusätzlich Polyamide oder Polyethylen enthalten; diese lassen sich bislang nicht biologisch verwerten. Für solche Materialien könnte stattdessen eine Pyrolyse eine sinnvolle Option darstellen.
Das heißt, praktisches Engagement wird in Aachen direkt mit zukunftsweisender Forschung verknüpft. In Projekten wie Catalaix wird kontinuierlich getestet, wie die gesammelten Kunststoffe wieder in den Kreislauf gebracht werden können. Die Wissenschaftler*innen arbeiten fortlaufend daran, innovative Strategien für die Verwertung unterschiedlichster Plastikarten zu entwickeln.
Diskussion: Vom Energieeinsatz bis zur Herstellerverantwortung
In der Diskussion mit der #CEresearchNRW-Community ging es vor allem um die ökologische Bilanz biotechnologischer Kunststoffe. Prof. Lars Blank betonte, dass großtechnische Fermentationsverfahren heute gut kalkulierbar seien, die Umweltwirkung aber stark von der verwendeten Kohlenstoffquelle abhänge. Besonders dort, wo die Chemieindustrie hohe CO₂-Emissionen verursacht, kann Biotechnologie Einsparpotenziale bieten.
Weitere Fragen drehten sich um Qualität und Standardisierung biobasierter Polymere. Unterschiede im Molekulargewicht seien zwar möglich, aber technisch beherrschbar, die Abbaubarkeit bleibe davon weitgehend unberührt. Auch das Thema Wertstoffkreisläufe wurde diskutiert: Mikroben können komplexe Abfallmischungen verwerten, und wirtschaftliche Anreize – etwa durch Rücknahmeverpflichtungen – könnten dazu beitragen, Plastik als Ressource im Kreislauf zu halten.
Wir freuen uns schon Sie in den kommenden #CEresearchNRW-Webseminaren begrüßen zu dürfen!
Bis dahin,
Ihr CirPEL und Prosperkolleg e.V. Team.