Der Anteil von Biokunststoffen in der weltweiten Produktion von Kunststoffen steigt und das Volumen wird sich voraussichtlich bis 2018 vervierfachen. Dem wachsenden Bedarf werden die Rohstofflieferanten auf verschiedenen Wegen gerecht. In der Polymer-Chemie geht es darum, Kohlenstoff-Bausteine auf biogener Basis zu gewinnen. Dies gelingt h\u00e4ufig mit Hilfe biotechnologischer Methoden und ist zum Teil bereits ausgereift sowie konkurenzf\u00e4hig zum petrochemisch erzeugten Pendant. Als Rohstoffquellen werden meist Pflanzen genutzt, aus denen beispielsweise Zucker und St\u00e4rke gewonnen werden. Allerdings besteht global betrachtet eine Konkurrenz um Ackerfl\u00e4chen und Biomassen, die auch als Nahrungsmittel dienen k\u00f6nnen. Daher hat die OECD eine F-Kaskade ver\u00f6ffentlicht, in deren Reihenfolge Biomasse am sinnvollsten zu nutzen ist. Als biogene Rohstoffalternativen, die nicht mit Nahrungs- und Futtermitteln konkurrieren, sind Cellulosen aus H\u00f6lzern oder Pflanzeresten geeignet. Aus ihnen lassen sich in per Raffination und Fermentation weitere Kohlenstoff-Bausteine gewinnen.<\/p>\n
Regenerative Rohstoffe r\u00fccken zunehmend in den Fokus zur industriellen Verarbeitung. Pflanzliche und tierische Biomasse dienen als Kohlenstoffquelle, aus denen sich Basismolek\u00fcle herstellen lassen. Antriebsfeder f\u00fcr die Verwendung biogener Kohlenstoffquellen f\u00fcr sogannte Drop-in-Biokunststoffe ist meist das Ziel, Treibhausgase zu reduzieren und Produkte mit Bio-Label herzustellen. Selten sind es wirtschaftliche Gr\u00fcnde, die Anwender dazu bewegen, biobasierte Rohstoffe einzusetzen. Doch der Markt treibt Innovationen voran. Daher finden sich in den Regalen immer mehr sogenannte Bio-Produkte und auch gro\u00dfe Industrieunternehmen wie BASF arbeiten daran, Biomasse zu Chemikalien und Polymer-Rohstoffen, also Kohlenstoffbausteinen (C-Bausteinen) zu verarbeiten.<\/p>\n
Wie begehrt Biomasse ist, h\u00e4ngt von der Art der Biomasse ab. Die Konkurrenz um nachwachsende Rohstoffe wird steigen, denn mit wachsender Weltbev\u00f6lkerung w\u00e4chst auch der Bedarf an Nahrungs- und Futtermitteln und die lebhaften Diskussionen um Bioethanol im Kraftstoff sind vielen noch im Ohr. Daher m\u00fcssen Priorit\u00e4ten gesetzt werden.<\/p>\n
Unter der Bezeichnung 5F-Kaskade haben Experten eine Reihenfolge erstellt, in der Biomasse am sinnvollsten zu nutzen ist (OECD, 2011, S. 16).Nahrungs- und Futtermittel sollen Vorrang genie\u00dfen, dann folgen Spezial- und Massen-Chemikalien sowie Inhaltsstoffe f\u00fcr Arzneimittel, dann kommen Fasern und Biomaterialien (Holz, Zellstoff und Papier), erst dann Treibstoffe und Bioenergie, das Ende bilden schlie\u00dflich D\u00fcnger und Bodenverbesserer. Hintergrund der 5F-Kaskade ist, dass man die energetische Nutzung, also die Verbrennung, so sp\u00e4t wie m\u00f6glich in den Lebenslauf der Biomasse setzen will. Doch solche Kaskaden gibt es im Moment kaum. Sie erfordern es, Stoffstr\u00f6me neu zu ordnen und neue Technologien f\u00fcr die Umwandlung der Biomasse in Wertstoffe zu entwickeln.<\/p>\n
F\u00fcr Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe werden beispielsweise Zucker und St\u00e4rke, Lignin und Zellulose aus H\u00f6lzern und Pflanzenresten oder \u00d6le aus Rizinus und Raps genutzt. Hinzukommen Kasein, Chitin und Chitosan, Collagen (Gelatine) und andere Proteine sowie Naturharze, Wachse und tierische Fette. Schl\u00fcsseltechnologien zur Verwertung dieser Rohstoffe entwickelt die Forschung zur industriellen Biotechnologie. Es gibt verschiedene M\u00f6glichkeiten aus den genannten biogenen Quellen Biokunststoffe herzustellen: Zum einen lassen sich aus den nachwachsenden Rohstoffen Grundstoffe herstellen, die technisch polymerisiert werden. Ein Beispiel daf\u00fcr ist der Polyester Polymilchs\u00e4ure (PLA). Bakterien verwerten zucker- oder st\u00e4rkehaltige Rohstoffe oder Reststoffe wie Molke zu Milchs\u00e4ure, die anschlie\u00dfend verfahrenstechnisch zu langen Ketten verkn\u00fcpft werden \u2013 der Polymilchs\u00e4ure (PLA).<\/p>\n
Andererseits gibt es nat\u00fcrliche Polymere, die direkt oder leicht modifiziert zur Kunststoffproduktion verwendet werden k\u00f6nnen. Dazu z\u00e4hlen St\u00e4rke oder Lignin aus Pflanzen oder Polyhydroxyalkanoate (PHA). PHA-Polymere geh\u00f6ren ebenfalls zur Gruppe der Polyester und werden in Bakterien als Speicherstoff gebildet. Als Nahrungsquelle kommen auch hier zucker- oder st\u00e4rkehaltige Rohstoffe oder Reststoffe wie Molke infrage, aber auch Alkohole und Pflanzen\u00f6le.<\/p>\n
Zu biogenen Rohstoffalternativen, die nicht mit Nahrungs- und Futtermitteln konkurrieren, geh\u00f6rt beispielsweise Lignozellulose. Diese setzt sich aus Cellulose (Homopolymer aus beta-D-Glucose), Hemicellulose (Polysaccharidgemisch, \u00fcberwiegend L-Arabinose und D-Xylose) und Lignin (Heteropolymer verschiedener aromatischer Phenylpropanoide) zusammen. In einer Lignocellulose-(LCF)-Bioraffinerie wird pflanzliche Biomasse in Cellulose, Hemicellulose, Lignin und Extrakte getrennt. Hieraus entstehen mit chemischen oder enzymatischen Aufschlussverfahren Zucker, Fette\/\u00d6le und Veredlungsprodukte des Lignins. Aus diesen Zwischenstufen k\u00f6nnen anschlie\u00dfend durch Fermentation Plattformchemikalien wie Ethanol oder Milchs\u00e4ure und polymere Materialien wie Polyhydroxybutters\u00e4ure (C4-Baustein) hergestellt werden, die in die Wertsch\u00f6pfungsketten der chemischen Industrie einflie\u00dfen oder diese erg\u00e4nzen k\u00f6nnen.<\/p>\n
Der Anteil von Bio-PET an der weltweiten Biokunststoffproduktion wird voraussichtlich von knapp 25 Prozent im 2012 auf \u00fcber 60 Prozent im Jahr 2018 steigen. (Quelle: Hochschule Hannover, Institute for Bioplastics and Biocomposites)
\nEine der gro\u00dfen Herausforderungen f\u00fcr die Raffination von lignocellulosehaltigem Biomaterial und f\u00fcr eine ertragreiche Stoffumwandlung in gut verwertbare Chemikalien ist die Entwicklung von Chemie-Katalysatoren beziehungsweise die Suche nach geeigneten Enzymen, Hefen oder Mikroorganismen. So k\u00f6nnen zum Beispiel auf Basis der Hemicellulosen und der daraus gewonnenen C5 \u2013 und C6 -Zucker unter Einsatz geeigneter Mikroorganismen eine Vielzahl von Chemikalien gewonnen werden \u2013 analog zur heute auf Glucose basierenden industriellen Biotechnologie. Ein weiterer Ansatz sind Hemicellulosen, die keine sehr hohen Polymerisationsgrade aufweisen, zu pfropfen und querzuvernetzen, um daraus Biokunststoff herzustellen.<\/p>\n
In den letzten Jahren wurde bereits eine Vielzahl von physikalischen, chemischen und biologischen Verfahren zur Vorbehandlung und anschlie\u00dfenden Hydrolyse von Lignocellulose entwickelt. Sie unterscheiden sich stark im energetischen Aufwand, der Menge an eingesetzten Chemikalien sowie der daraus resultierenden Substratreinheit und Gesamtprozessdauer.\u00a0\u00a0 Der Forschungsbedarf ist in diesem Bereich jedoch noch als sehr hoch einzusch\u00e4tzen, hei\u00dft es in einem aktuellen Diskussionsspapier der Dechema, Frankfurt.<\/p>\n
Aktuell haben Biokunststoffe mengenm\u00e4\u00dfig noch eine eher geringe Bedeutung am Kunststoffmarkt: Nach der vom Institut f\u00fcr Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Hochschule Hannover im Dezember 2013 ver\u00f6ffentlichten Erhebung wurden im Jahr 2012 1,4 Millionen Tonnen produziert. Das ist weniger als ein Prozent der weltweiten Kunststoffproduktion, die laut Branchenverband Plastics Europe, Frankfurt, bei etwa 300 Millionen Tonnen liegt. Doch gem\u00e4\u00df der aktuellen Marktdaten von European Bioplastics, Berlin, dem IfBB \u2013 Institut f\u00fcr Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe und dem Nova-Institut, H\u00fcrth, werden sich die Produktionskapazit\u00e4ten f\u00fcr Biokunststoffe bis 2018 vervierfachen.<\/p>\n
Diese Zahlen sind einerseits beachtlich, andereseits zeigen sie, dass die Produktionsvolumina von Biokunststoffen immernoch verh\u00e4ltnism\u00e4\u00dfig klein sind. Allerdings gibt es auch Beispiele die zeigen, wie Biokunststoffe im Vergleich zu petrochemisch basierten Polymeren nicht nur konkurrenzf\u00e4hig sondern sogar etabliert sind. Dupont, Wilmington, USA, und Genencor, New York, USA, schlossen im Jahr 1995 eine Vereinbarung mit dem Ziel, 1,3-Propandiol (C3-Baustein) biotechnologisch herzustellen. Ein gentechnisch modifizierter Stamm des Bakteriums Escherichia coli setzt Glucose zu Glyzerin um, aus dem sich 1,3-Propandiol synthetisieren l\u00e4sst. Aus der Veresterung mit Terephthals\u00e4ure oder Dimethyl-Terephthalat entsteht der Kunststoff Polytrimethylen-Terephthalat (PTT). Der zu zwei Drittel auf nachwachsenden Rohstoffen basierende Kunststoff erhielt den Namen Sorona. Den Entwicklern gelang es auf diesem Weg, den biotechnologischen Prozess so zu verbessern, dass er im Kostenvergleich mit dem petrochemischen Verfahren bestehen konnte. Seit 2006 wird der Kunststoff im gro\u00dftechnischen Ma\u00dfstab biotechnologisch aus Maisst\u00e4rke produziert.<\/p>\n
Das brasilianische Unternehmen Braskem, S\u00e3o Paulo, Brasilien, legte im Fr\u00fchjahr 2009 den Grundstein f\u00fcr die erste Anlage der Welt, mit der vollst\u00e4ndig biobasiertes Polyethylen aus Bioethanol hergestellt werden kann. Seit 2011 wird dort Bio-Polyethylen im gro\u00dfen Ma\u00dfstab hergestellt.<\/p>\n
Auch j\u00fcngere Projekte zeigen,\u00a0 wie sehr die Chemische Industrie daran interessiert ist, biobasierte Rohstoffe f\u00fcr Kunststoffe zu liefern. Zur Fakuma 2014 pr\u00e4sentierte BASF, Ludwigshafen, ein erstes Produkt, dessen molekulare Basis aus Biogas und Bionaphta erzeugt wurde. Bionaphta wird aus Pflanzen\u00f6len oder tierischen Fetten gewonnen und ist in seinen stofflichen Eigenschaften mit der Naphtha-Fraktion aus Erd\u00f6l vergleichbar. Aus dem biobasierten Polyamid Ultramid B3EG6 MB (Mass-Balance) fertigt das Unternehmen Kunststoffwerk, Buchs, Z\u00f6llst\u00f6cke\u00a0 unter der Marke Longlife. In diesem Jahr bietet der Ludwigshafener Chemiekonzern erstmals Polytetrahydrofuran 1000 (Poly-THF 1000) aus nachwachsenden Rohstoffen an und liefert dieses an Partnerunternehmen zu Testzwecken. \u201eDie Qualit\u00e4t des Poly-THF 1000 auf Basis nachwachsender Rohstoffe ist identisch mit dem auf petrochemischer Basis hergestellten Produkt\u201c, sagt Andrej Brejc, Direktor Renewable Diols im Unternehmensbereich Intermediate der BASF, und erg\u00e4nzt: \u201eDie Erweiterung der Produktpalette und der Anwendungen mit Produkten aus nachwachsenden Rohstoffen bietet uns und unseren Kunden die M\u00f6glichkeit, die langfristige Marktakzeptanz dieser innovativen Technologie weiter zu untersuchen.\u201c Das Poly-THF wurde auf Basis von 1,4 Butandiol (BDO, C4-Baustein) aus dem Zucker Dextrose hergestellt. Die Lizenz von Genomatica, San Diego, USA, auf den patentierten Produktionsprozess hatte BASF\u00a0 Anfang des Jahres 2013 erworben.<\/p>\n
Auf der anderen Seite setzen zahlreiche Kunststoffverarbeiter auf biobasierte Werkstoffe. Darunter das prominete Beispiel Coca-Cola, die das Ziel verfolgen, ihre Flaschen ausschlie\u00dflich aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Und wenn nicht das komplette Sortiment auf \u201eBio\u201c umgestellt wird, so testen doch einige Unternehmen Biokunststoffe, wie diese beim Verbraucher angenommen werden und ob sie sich in der Praxis bew\u00e4hren. So lassen sich biobasierte Kunststoffe sowohl in Hightech-Produkten wie Smartphones oder Automobil-Bauteilen und auch in Gegenst\u00e4nden des t\u00e4glichen Bedarfs, wie beispielsweise Klebestiften oder Kinderspielzeug , finden. Die Vielfalt der Anwendungsm\u00f6glichkeiten steigt und der Innovationsdruck, von dem wir letztendlich profitieren werden, bleibt hoch.<\/p>\n
Fachbegriffe aus der Bio-Raffination
\n5 F-cascade:
\n\u2022 Food and feed
\n\u2022 Fine and bulk chemicals, pharmaceutical ingredients
\n\u2022 Fibres and biomaterials (wood, pulp and paper)
\n\u2022 Fuels and bioenergy
\n\u2022 Fertilizer and soil conditioners (e.g. compost) (OECD, Industrial Biotechnology and Climate Change, 2011)<\/p>\n
Die Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellw\u00e4nden (Massenanteil etwa 50 %). Das Polysaccharid (Vielfachzucker). Sie ist unverzweigt und besteht aus mehreren hundert bis zehntausend beta-D-Glucose-Molek\u00fclen bzw. Cellobiose-Einheiten.<\/p>\n
Hemicellulose ist ein Sammelbegriff f\u00fcr in pflanzlicher Biomasse vorkommende Gemische von Polysacchariden in ver\u00e4nderlicher Zusammensetzung. Die am h\u00e4ufigsten vorkommenden Monomere sind Pentosen, wie D-Xylose und L-Arabinose. Hemicellulosen sind ein Bestandteil pflanzlicher Zellw\u00e4nde, deren Matrix teilweise aus kristalliner Cellulose besteht. Bei der Verholzung ist diese Matrix zus\u00e4tzlich von dem Makromolek\u00fcl Lignin durchdrungen und bildet so Lignocellulose. Hemicellulose ist amorph und ohne h\u00f6here Strukturen.<\/p>\n
Lignine (lat. lignum \u201eHolz\u201c) bilden eine Gruppe von phenolischen Makromolek\u00fclen aus verschiedenen Monomerbausteinen. Es handelt sich um feste Biopolymere, die in die pflanzliche Zellwand eingelagert werden und dadurch die Verholzung der Zelle bewirken (Lignifizierung). Etwa 20 bis 30 Prozent der Trockenmasse verholzter Pflanzen bestehen aus Ligninen, damit sind sie neben der Cellulose und dem Chitin die h\u00e4ufigsten organischen Verbindungen der Erde.<\/p>\n
Die Lignocellulose bildet die Zellwand verholzter Pflanzen und dient ihnen als Strukturger\u00fcst. Hemicellulosen und vor allem Cellulose bilden zun\u00e4chst ein Ger\u00fcst, in das beim Verholzen nachtr\u00e4glich das Lignin eingelagert wird.
\n(Quelle: www.wikipedia.de)<\/p>\n
Technische Biopolymere \u2013 Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften, Hanser Verlag, Prof. Hans-Josef Endres und Andrea Siebert-Raths, 690 Seiten, 06\/2009, <\/p>\n Link zum Video \u201eBio-Raffination und Bio-\u00d6konomie\u201c<\/a><\/p>\n Link zum BMEL Thema und Video\u00a0 \u201eBiobasierte Wirtschaft\u201c<\/a><\/p>\n
\nISBN: 978-3-446-41683-3, 299 EUR
\nEngineering Biopolymers \u2013\u00a0 Markets, Manufacturing, Properties and Application, Hanser Verlag, Prof. Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths, 692 Seiten, 08\/2011, ISBN: 978-3-446-42403-6, 299 EUR
\nBiopolymers \u2013 Facts and Statistics, Institute for Bioplastics and Biocomposites, Hochschule Hannover, Den Link dazu und weitere Informationen finden Sie auf www.plastverarbeiter.de<\/a>.<\/p>\n