Bio-Kunststoffe aus Pflanzenöl
Die Biobranche boomt. Nicht alle Kunststoffe auf Erdölbasis lassen sich durch Holz, Kork oder Baumwolle ersetzen. Eine mögliche Alternative sind Polymere auf Basis chemisch veränderter Pflanzenöle oder Zucker.
Zwei Metallstücke wurden im Experiment mit dem Bio-Klebstoff verbunden.
Foto: Fraunhofer IMWS
Kunststoffe aus Erdöl treiben die Emission von Treibhausgasen nach oben. Die Verpackungsindustrie rechnet in nächster Zeit mit gesetzlichen Einschränkungen. Forscher versuchen deshalb, Alternativen aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Dazu zählen nicht nur Mais, Gerste oder Zuckerrohr. Aus Ölsaaten entstehen über mehrstufige chemische Reaktionen Epoxidharze. Jetzt zeigen Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) in Halle an der Saale, wie sich das Verfahren mit Enzymen als Biokatalysatoren optimieren lässt.
Vom Pflanzenöl zum Epoxidharz
Zum Hintergrund: Epoxidharze kommen bei der Fertigung von Haushaltsgegenständen wie Möbeln zum Einsatz. Sie entstehen aus Monomeren, den Epoxiden. Das sind Moleküle mit einem Sauerstoffatom und 2 Kohlenstoffatomen als Dreiringe. Bei der Polymerisation entstehen Duroplaste, die sich später nicht mehr verformen lassen. Sie zersetzen sich beim Erwärmen. Nachträglich kann ein Werkstück anders als bei Thermoplasten nicht bearbeitet werden, auch nicht bei schlechten Eigenschaften: eine Herausforderung, sollten statt der Reinsubstanzen Pflanzenöle zum Einsatz kommen.
Diese Moleküle eignen sich aufgrund einer oder mehrere Doppelbindungen im Gerüst eigentlich gut als Ausgangsstoffe. Bei der Epoxidierung wird ein Sauerstoffatom auf die C-C-Doppelbindung übertragen. Versetzt man diese Pflanzenölepoxide mit Härtern, entstehen hochbelastbare biologische Kunststoffe. Als Problem bleibt, dass Öle Naturstoffe sind. Ihre chemische Zusammensetzung ändert sich. Das beeinflusst möglicherweise die Eigenschaften biologischer Harze. Forscher des IMWS setzen hier mit einer Feedback-Schleife an. Sollte das gewünschte Kunstharz nicht die erforderlichen Eigenschaften haben, optimieren sie ihre Ausgangsstoffe. Dazu gehört, auf Lösungsmittel zu verzichten und geeignete Füllstoffe zu entwickeln.
Enzymatische Epoxidierung: Weniger Energie, weniger Chemikalien
Im Zuge ihres Forschungsprojekts versuchte das Team auch, Chemikalien mit schlechter Ökobilanz zu eliminieren. Bei Epoxidierungen werden Persäuren oder Peroxide als Oxidationsmittel verwendet. Die Substanzen kommen aus der petrochemischen Industrie, machen aber auch bei ihrer Entsorgung Schwierigkeiten.
Jetzt haben IMWS-Wissenschaftler die Epoxidierung erstmalig auf Enzymkatalysen umgestellt. Enzyme sind Proteine, die chemische Reaktionen erleichtern. Chemikalien auf Erdölbasis braucht man nicht. Und da Enzyme bei 40 Grad Celsius ihr Aktivitätsmaximum erreichen, lässt sich auch viel Energie sparen. Normale chemische Prozesse laufen bei etwa 100 Grad Celsius ab.
Weitere Monomere auf pflanzlicher Basis
Um die Eigenschaften von Werkstücken beliebig zu steuern, arbeiten Hersteller nicht nur mit Epoxiden, sondern oft mit Coploymeren. Darunter versteht man Kunststoffe aus unterschiedlichen Monomereinheiten, also nicht nur mit Epoxiden. Furane, sprich Fünfringe mit einem Sauerstoffatom, sind wichtige Bausteine. US-Forscher arbeiteten mit Fructose aus Pflanzen. Entzogen sie dem Molekül Wasser, entstand Hydroxymethylfurfural als Baustein für Kunststoffe. Sie arbeiteten dabei mit einem Lösungsmittelsystem auf Basis von Aceton, um Wasser zu eliminieren.
Bislang war vor allem das Lösungsmittelgemisch der limitierende Faktor – sowohl aus Kostengründen auch aus auch unter Umweltschutzaspekten. Der neue Vorgang ist ökonomischer und liefert in kurzer Zeit große Mengen des Monomers. Außerdem lassen sich weitere industrieübliche Materialien wie Glucose-haltige Abfälle verwenden. Trotzdem bleiben Fragen offen.
Sind Biokunststoffe wirklich die bessere Alternative?
Viele Experimente zur Herstellung von Biokunststoffen befinden sich in frühen experimentellen Phasen oder werden allenfalls im Technikum durchgeführt. Welche ökologischen Folgen die Produktion größerer Mengen weltweit haben könnte, weiß derzeit niemand. Experten des Instituts für Lebensmittel- und Ressourcenökonomik der Universität Bonn befürchten Konsequenzen, falls sich der Bioplastikanteil weiter erhöht. Sie haben verschiedene Szenarien per Computer simuliert.
Der Ausstoß von Treibhausgasen verringerte sich in ihrer Modellrechnung zwar, was teilweise auf eine niedrigere Konjunktur zurückgeführt wurde. Gleichzeitig nahm die weltweite Bewaldung ab, während es mehr Flächen für den Ackerbau gab. Die Autoren sehen in Pflanzenabfällen zur Produktion von Biokunststoffen eine bessere Alternative. Es sei empfehlenswert, in dem Bereich mehr zu forschen und entsprechende Verfahren zur Marktreife zu bringen, schreiben sie in ihrer Studie.
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