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09-10-2020 | Entsorgung | Im Fokus | Article

Biokunststoffe werden zu Bausteinen der Bioökonomie

Author:
Dieter Beste
3 min reading time

Ein neuartiger Kunststoff kann aus Abfällen produziert und problemlos abgebaut werden, so seine Entwickler. Polyhydroxybuttersäure heißt der Werkstoff, aus dem sich künftig etwa Einwegprodukte und Wegwerfartikel herstellen lassen.

Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe wie Erdöl, Erdgas oder Kohle inspiriert die Forschung weltweit, nach Alternativen auch für die Produktion von Kunststoffen zu fahnden. Zudem sind die mit dem Klimawandel verbundenen globalen Herausforderungen eine Triebfeder der Entwicklungen hin zu einer biobasierten Ökonomie; bislang gehen etwa vier Prozent des weltweit geförderten Erdöls in die Kunststoffproduktion, hält Peter Eyerer im Buchkapitel "Einführung in Polymer Engineering" fest (Seite 10). 

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Biokunststoffe – Hintergründe

Vor dem Hintergrund globaler gesellschaftlicher Herausforderungen, wie dem Klimawandel und der Endlichkeit fossiler Ressourcen, steht die Entwicklung hin zu einer biobasierten Ökonomie seit einigen Jahren im Fokus der Forschung und Politik …

Auf der Suche nach einer anderen Rohstoffbasis rücken die Biokunststoffe ins Blickfeld von Forschung und Entwicklung. "Dabei sind Biokunststoffe keine neue Erfindung: Mit ihnen begann um 1870 das Zeitalter der Kunststoffe. Knöpfe aus Galalith, dem sogenannten Kunsthorn, zierten Uniformen, Filmaufnahmen wurden aus Zelluloid gemacht", erinnern Hannah Behnsen und Hans-Josef Endres in "Biokunststoffe unter dem Blickwinkel der Nachhaltigkeit und Kommunikation" (Seite 7). Erst mit der zunehmenden Verfügbarkeit von Erdöl und der Weiterentwicklung der Erdölchemie ab 1950 wurden die Kunststoffe bis auf wenige Ausnahmen nach und nach zu petrochemischen Erzeugnissen. Der Wunsch nach Rohstoffunabhängigkeit und die zunehmende Wahrnehmung nachteiliger Entsorgungseigenschaften bei diesen synthetischen Kunststoffen bescherten den Biokunststoffen, hier vor allem den biologisch abbaubaren Varianten, ab den 1990er-Jahren einen Entwicklungsschub, so die Springer-Autoren. 

Aus Pflanzen und Bakterien sind verschiedene Typen von Biopolymeren bekannt, erläutert Frank Kempken in "Gentechnik bei Pflanzen" und verweist auf Polysaccharide (z. B. Stärke und Zellulose), Polyamide (z. B. Seide) und Polyester. "Viele Bakterien produzieren als Speicherstoffe Polyester wie z. B. Polyhydroxybuttersäure [poly(3HB)]. Das Interessante an diesen Substanzen ist, dass sie nicht toxisch und zudem vollständig biologisch abbaubar sind. Sie weisen ähnliche Eigenschaften wie Polypropylen auf" (Seite 190). Allerdings, so Kempken zwei Buchseiten zuvor: "Obwohl solche Stoffe aus Pflanzen und Bakterien zum Teil schon lange genutzt werden, sind die bisherigen Produktionsweisen oft teuer, energieaufwendig oder ineffizient."

Forschungsinitiative "Bioökonomie International"

Noch lassen sich fossile Kunststoffe nicht im großen Stil ersetzen – daher hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF die Forschungsinitiative "Bioökonomie International" ins Leben gerufen; im Rahmen dieser Initiative gelang es jetzt Forschern des Fraunhofer Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK), dem Fachgebiet für Bioverfahrenstechnik der TU Berlin, regionalen Industriepartnern und internationalen Forschungspartnern aus Malaysia, Kolumbien und den USA ein Verfahren zur Produktion von Biopolymeren weiterzuentwickeln. 

Neuer Kunststoff ist vergleichbar mit Polypropylen

Der Kunststoff Polyhydroxybuttersäure (polyhydroxybutyrat, PHB) wird in dem neuen Verfahren aus industriellen Reststoffen wie beispielsweise Abfallfetten mit hohem mineralischem Reststoffanteil hergestellt. In speziellen Fermentationsprozessen können Mikroorganismen diese Reststoffe verstoffwechseln. Sie lagern das PHB als Energiespeicher in ihren Zellen ein. "Nachdem der Kunststoff aus der Zelle der Organismen herausgelöst wurde, lässt er sich jedoch noch nicht industriell verwerten, da er viel zu langsam erstarrt", sagt Christoph Hein, Abteilungsleiter Mikroproduktionstechnik am Fraunhofer IPK. Durch spezielle Nachbearbeitungsschritte wird das Rohmaterial daher mit chemischen Zusatzstoffen gemischt. Indem sie Plastifizierungs- und Verarbeitungsparameter anpassten, konnten die Forschungsteams beispielsweise die Rekristallisationszeit so modifizieren, dass sie den industriellen Anforderungen an die Verarbeitungszeit gerecht wurde. Das Ergebnis ist ein Kunststoff, der vergleichbare Eigenschaften wie Polypropylen (PP) aufweist. Im Gegensatz zu PP ist er allerdings in einem Zeitraum von sechs bis zwölf Monaten vollständig abbaubar. Auch hochwertige Kunststoffteile für spezielle Anforderungen könne man auf diese Weise herstellen, so die Entwickler.
 

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