Biotechnologie 09.05.2019, 07:00 Uhr

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.

Bioklebstoff

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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
BP Europa SE-Firmenlogo
EV Charging Delivery Engineer (m/f/d) - Aral Pulse BP Europa SE
Bochum, Hamburg Zum Job 
OTTO FUCHS Dülken GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Mitarbeiter Technologie Strangpresse (m/w/d) OTTO FUCHS Dülken GmbH & Co. KG
Viersen Zum Job 
Infraserv GmbH & Co. Höchst KG-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Infraserv GmbH & Co. Höchst KG
Frankfurt am Main Zum Job 
Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB-Firmenlogo
Business Development Industrie 4.0 und Digitalisierung Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
Karlsruhe Zum Job 
Bundeswehr-Firmenlogo
Leitende Ingenieurin / Leitender Ingenieur (m/w/d) mit Master Bundeswehr
verschiedene Standorte Zum Job 
UX Gruppe-Firmenlogo
Projektleiter (m/w/d) Forschung und Entwicklung UX Gruppe
Gilching Zum Job 
Bundeswehr-Firmenlogo
Leitende Ingenieurin / Leitender Ingenieur (m/w/d) Bundeswehr
verschiedene Standorte Zum Job 
ACONEXT Engineering GmbH-Firmenlogo
Konstrukteur / Technischer Produktdesigner CATIA V5 oder Siemens NX (m/w/d) von Kunststoff- oder Metallbauteilen ACONEXT Engineering GmbH
München Zum Job 
Bundeswehr-Firmenlogo
Ingenieurin / Ingenieur (m/w/d) mit Bachelor Bundeswehr
verschiedene Standorte Zum Job 
ACONEXT Engineering GmbH-Firmenlogo
Entwicklungsingenieur Automotive (m/w/d) ACONEXT Engineering GmbH
München Zum Job 
ACONEXT Engineering GmbH-Firmenlogo
Versuchsingenieur/-techniker zur Erprobung Gesamtfahrzeug und Testing von Komponenten (m/w/d) ACONEXT Engineering GmbH
München, Ingolstadt Zum Job 
ACONEXT Engineering GmbH-Firmenlogo
Softwaretester Automotive (m/w/d) ACONEXT Engineering GmbH
München Zum Job 
ACONEXT Engineering GmbH-Firmenlogo
Software Entwickler Automotive (m/w/d) ACONEXT Engineering GmbH
München Zum Job 
Richard Hönig Wirtschaftsberatungen-Firmenlogo
Strategischer Einkäufer (w/m/d) Richard Hönig Wirtschaftsberatungen
Südbayern Zum Job 
Mainova AG-Firmenlogo
Ingenieur (w/m/d) Instandhaltung Mainova AG
Frankfurt am Main Zum Job 
SWM Services GmbH-Firmenlogo
Projektleitung Mittelspannungsanlagen (m/w/d) SWM Services GmbH
München Zum Job 
DEKRA Automobil GmbH-Firmenlogo
Sachverständiger Schallschutz und Bauakustik (m/w/d) NRW DEKRA Automobil GmbH
Nordrhein-Westfalen Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektingenieur Ladeinfrastruktur (w/m/d) im Geschäftsbereich Betrieb und Verkehr Die Autobahn GmbH des Bundes
München Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektingenieur im Brückenbau für Neubau-, Ausbau- und Erhaltungsmaßnahmen (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
München Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Projektingenieur im Hochbau (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
München Zum Job 

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.

Mehr zu Biokunststoffen

Ein Beitrag von:

  • Michael van den Heuvel

    Michael van den Heuvel hat Chemie studiert. Unter anderem arbeitet er für Medscape, DocCheck, für die Universität München und für pharmazeutische Fachmagazine. Seit 2017 ist er selbstständiger Journalist und Gesellschafter von Content Qualitäten. Seine Themen: Chemie/physikalische Chemie, Energie, Umwelt, KI, Medizin/Medizintechnik.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.