Umweltverschmutzung durch Plastik ist ein enormes globales Problem. Was oft übersehen wird: Nicht nur die Entsorgung, sondern auch die Herstellung von Kunststoffen ist nicht sonderlich umweltverträglich. Denn die meisten Kunststoffe werden mithilfe fossiler Rohstoffe produziert und tragen somit zu klimaschädlichen CO2-Emissionen bei. Für beide Seiten des Problems gibt es jedoch vielversprechende Lösungsansätze: Biobasierte Produkte, die auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen produziert werden, verringern CO2-Emissionen, während bioabbaubare Produkte vermeiden, dass sich das Material dauerhaft in der Umwelt anreichert. Im Labor für Technische Biopolymere (LTBP) am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Straubing arbeitet man daran, solche neuartigen Kunststoffe besonders nachhaltig herzustellen. IGB-Wissenschaftler Dr. Robert Scherf beantwortet im Biointelligenz-Blog die wichtigsten Fragen zu seinem Arbeitsgebiet.
Welche Vorteile bieten biobasierte und bioabbaubare Kunststoffe im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen?
Hier sollten wir zunächst eine klare Unterscheidung zwischen beiden Begriffen vornehmen. Biobasierte Kunststoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffquellen gewonnen. Hierzu zählen einerseits natürlich vorkommende, makromolekulare Strukturen wie Proteine, Cellulose, Lignin oder Chitin, andererseits aber auch synthetische Kunststoffe, die mittels chemischer oder biotechnologischer Verfahren aus nachwachsenden Rohstoffen aufgebaut werden, beispielsweise Polymilchsäure (PLA).
Nicht alle biobasierten Kunststoffe sind auch biologisch abbaubar, können also durch Mikroorganismen in bestimmten Umgebungen wie im Kompost, im Boden oder im Meerwasser zersetzt werden. Umgekehrt gibt es einige fossil basierte Kunststoffe, die biologisch abgebaut werden können. Die Nutzung biobasierter Rohstoffe, anstelle fossilbasierter, vermindert CO2-Emissionen und ist damit ein wichtiger Baustein bei der Bewältigung des Klimawandels. Die biologische Abbaubarkeit ist hingegen vor allem dann bedeutsam, wenn es zu einem Eintrag der Kunststoffe in die Umwelt kommt. In diesem Fall ist es wichtig, dass die Materialien vollständig abgebaut werden, um etwa die weitere Anreicherung von Mikroplastik in der Umwelt zu vermeiden.
Welche Fachbereiche sind im Labor für Technische Biopolymere des Fraunhofer IGB vertreten und wie arbeiten diese zusammen?
Im Labor für Technische Biopolymere möchten wir biobasierte und/oder bioabbaubare Kunststoffe möglichst umfassend betrachten. Dies erfordert das Zusammenspiel unterschiedlicher fachlicher Kompetenzen. Für die Gewinnung neuer Polymere aus nachwachsenden Roh- und Reststoffen oder die Modifizierung natürlicher Polymere werden zunächst Kenntnisse in organischer Chemie und Polymerchemie benötigt. Für die weitere Verarbeitung dieser Polymere und die anschließende Prüfung der Materialeigenschaften braucht es hingegen kunststofftechnologisches Wissen, während Fragen zur Abbaubarkeit in unseren Bio-Laboratorien betrachtet werden. All diese Kompetenzen bündeln wir am Straubinger Standort des Fraunhofer IGB, was uns einzigartige Möglichkeiten zur Entwicklung neuer, nachhaltiger Materialien bietet.
Welche Schwerpunkte hat das Labor und welche Materialien werden entwickelt? Was ist ein aktuelles Beispiel für ein Material?
Das Labor für Technische Biopolymere beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Monomer-Bausteine aus biogenen Roh- und Reststoffen und deren Polymerisation. So wurden am Straubinger Standort in den vergangenen Jahren neuartige Polyamide aus Terpenen entwickelt, die als Nebenprodukt bei der Zellstoffherstellung anfallen. Die isomeren Polyamide Caramid-R® und Caramid-S® verfügen über außergewöhnliche thermische Eigenschaften, die insbesondere für technische Anwendungen, beispielsweise in der Automobilindustrie, interessant sind.
Ein anderer Schwerpunkt unserer Arbeiten ist die Funktionalisierung natürlicher Biopolymere durch chemische oder enzymatische Methoden, um sie für spezielle Anwendungen nutzbar zu machen. Im Fokus stehen hier unter anderem Lignin und Chitin.
Weiterhin betrachten wir die Verarbeitung von biobasierten und/oder bioabbaubaren Polymeren und entwickeln Additive um die Verarbeitbarkeit und andere Eigenschaften der Kunststoffe zu verbessern.
Zunehmend steht auch die Produktentwicklung im Hinblick auf konkrete Anwendungen im Mittelpunkt. So konnten im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts Smartfelt-M Wollfaser-Dämmplatten entwickelt werden, welche über eine ausreichend hohe Biegefestigkeit verfügen, um sie verputzbar und montagefähig zu machen. Ein anderes Beispiel ist das aktuell laufende Projekt Tape2Grape, in welchem biobasierte und biologisch abbaubare Veredelungsbänder für das Propfen im Obst- und Weinbau entwickelt werden.
Wie unterstützt das Labor für Technische Biopolymere Unternehmen auf dem Weg zu biobasierten und bioabbaubaren Kunststoffprodukten?
Typischerweise gibt es zwei Ansatzpunkte für die Zusammenarbeit mit Unternehmen. Zum einen treten Unternehmen an uns heran, die neuartige biobasierte und/oder bioabbaubare Produkte entwickeln wollen oder für bestehende fossilbasierte Produkte nachhaltigere Lösungen suchen. Andererseits arbeiten wir mit Unternehmen zusammen, bei denen biogene Stoffströme anfallen, für welche weitere Anwendungsmöglichkeiten gesucht werden. Eine unserer Stärken besteht insbesondere darin, Akteure aus verschiedenen Bereichen in einem Projektkonsortium zusammenzubringen. So erfolgte etwa die Entwicklung der neuen Wollfaser-Dämmplatten im Projekt Smartfelt-M zusammen mit mehreren Partnern aus der Industrie.
Neben unseren Forschungsaktivitäten führen wir auch Literatur- und Patentstudien für Unternehmen durch. Zudem können wir Polymeranalysen und Werkstoffprüfungen umsetzen.
Welche Art von Analysen und Materialentwicklungen kann das Labor für Unternehmen durchführen?
Chemische Synthesen können im Labor bis zu einer Größenordnung von vier Litern Reaktorvolumen durchgeführt werden. Insbesondere für die industrienahe Herstellung von Polyestern und Polyamiden in kleinem Maßstab verfügen wir zudem über eine zweistufige Miniplant-Anlage bestehend aus zwei 1,5-Liter-Edelstahlautoklaven, die bei Bedarf miteinander verbunden werden können. Sie sind ausgelegt für Drücke bis 200 bar und Temperaturen bis 350 °C. Die Anlage verfügt über eine SPS-Steuerung. Als Betriebsgase stehen Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff zur Verfügung.
Zur Verarbeitung von Polymeren verfügen wir über einen Kleinstmengenextruder, der eine Materialmenge von ca. 20 g verarbeiten kann. Weiterhin stehen eine Spritzgussanlage im Labormaßstab, eine Schneidmühle und eine Presse für Temperaturen bis 300 °C mit einer Presskraft von bis zu 200 kN zur Verfügung.
Unsere Gelpermeationschromatographie (GPC) zur Bestimmung von Molmassenverteilungen ist mit einem RI-, UV-, Viskositäts- und MALLS-Detektor ausgestattet, was die Bestimmung von absoluten Molmassen erlaubt. Weiterhin stehen zur Bestimmung von thermischen Materialeigenschaften DSC und TGA und zur mechanischen Werkstoffprüfung Shore-Härteprüfer (Shore A und Shore D), ein Pendelschlagwerk und eine Universalprüfmaschine für Zug- und Biegeprüfungen zur Verfügung.
Das Fraunhofer IGB: Ihr Partner für Materialanalysen und -entwicklung
Sie sind im produzierenden Gewerbe tätig und möchten ihre Produkte und Produktionsprozesse verbessern und umweltfreundlicher machen? Wir stehen Ihnen gern als FuE-Partner für die Materialanalyse oder -entwicklung zur Verfügung. Wir freuen uns auf Ihre Anfrage, um gemeinsam mit Ihnen eine nachhaltige Lösung für Ihren individuellen Bedarf zu finden.