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Biokunststoffe

In Zeiten des Klimawandels und steigender Rohölpreise gewinnen biobasierte Kunststoffe immer mehr an Bedeutung. Zudem ist die Nachfrage groß nach Werkstoffen mit neuen Eigenschaften. In der Biotechnologie steckt ein großes bisher ungenutztes Potential, das in diesem Bereich Innovationsprozesse anschieben könnte. Die BIOPRO Baden-Württemberg unterstützt dies im Rahmen ihrer Aktivitäten zum Thema Biotechnologie und Nachhaltigkeit.

Glossar

  • Biotechnologie ist die Lehre aller Verfahren, die lebende Zellen oder Enzyme zur Stoffumwandlung und Stoffproduktion nutzen.
  • Die Positronenemissionstomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen, sowie biochemischen und physiologischen Vorgängen im Körper (funktionelle Bildgebung). Das Verfahren beruht auf der Verteilung einer radioaktiv markierten Substanz im Organismus, die Positronen emittiert und somit von Szintillationszählern detektiert werden kann.
  • Polyethylen (Abkürzung: PE) ist das Polymer des Ethylens. Es gehört zu den thermoplastischen Kunststoffen.
  • Polylactide (auch Polymilchsäuren, PLA) sind Polymere aus Milchsäure. Sie werden zum einen in der Verpackungsindustrie eingesetzt und sind zum anderen interessant für medizinische Anwendungen, da es sich sich um einen biologisch abbaubaren Kunststoff handelt.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Fossile sind aus der erdgeschichtlichen Vergangenheit stammende Überreste von Tieren oder Pflanzen.
  • Als Biomasse wird die gesamte Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem bezeichnet, das biochemisch – durch Wachstum und Stoffwechsel von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen – synthetisiert wurde. Damit umfasst sie die Masse aller Lebewesen, der abgestorbenen Organismen und die organischen Stoffwechselprodukte.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Bundesministerium für Bildung und Forschung
Ob Spielzeug, Zahnbürste oder Joghurtbecher: Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. © BIOPRO

Im Jahr 2010 wurden weltweit 265 Millionen Tonnen Kunststoff produziert, 18,5 Millionen Tonnen davon in Deutschland. Zum Vergleich: Eine leere 1,5 Liter PET-Flasche wiegt gerade mal 32 Gramm und in einem durchschnittlichen Mittelklassewagen sind rund 15 Prozent - etwa 0,2 Tonnen - Kunststoff verbaut. Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken: Sie begegnen uns als Verpackungsmaterialen und Textilfasern, sind Bestandteil von Klebstoffen und Kosmetika, werden im Fahrzeugbau eingesetzt oder zu Dämmstoffen, Elektronikgehäusen und Implantaten verarbeitet.

Kunststoffe können so vielfältig eingesetzt werden, da sich ihre technischen Eigenschaften wie Formbarkeit, Härte, Bruchfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit durch die Wahl von Ausgangsmaterial, Herstellungsverfahren und Beimischung von Zusatzstoffen in weiten Grenzen variieren lassen. So können Kunststoff auf eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen „maßgeschneidert" werden.

Biobasierte Kunststoffe werden immer leistungsfähiger

Trinkbecher, Dübel und Pflanzenschälchen aus biobasierten Kunststoffen. © BIOPRO/Bächtle

Die meisten Kunststoffarten basieren heutzutage auf Erdöl, aber auch nachwachsende Rohstoffe können als Ausgangsmaterial dienen. Momentan haben diese sogenannten biobasierten Kunststoffe noch eine verschwindend geringe Bedeutung am Kunststoffmarkt: Im Jahr 2010 machte die weltweite Produktion mit 580 000 Tonnen gerade mal 0,2 Prozent des Gesamtkunststoffproduktion aus. Aber der Klimawandel und das allgemein gestiegene Umweltbewusstsein, der steigende Rohölpreis und der Wunsch nach Unabhängigkeit von fossilen Rohstoffen sowie die Suche nach Werkstoffen mit neuen Eigenschaften machen biobasierte Kunststoffe zu Werkstoffen der Zukunft. Biokunststoffe werden Dank kontinuierlicher Forschung immer leistungsfähiger und sind in ihren Eigenschaften mit petrochemischen Kunststoffen vergleichbar. Die Produktionskosten für biobasierte Kunststoffe sind momentan jedoch noch sehr hoch, da die Produktionsketten noch nicht auf biobasierte Kunststoffe optimiert sind; denn bisher gibt es - abgesehen von Polymilchsäure (PLA) - kaum großtechnische Anwendungsfelder. Aber mit zunehmender Nachfrage und durch Skalierungseffekte werden die Produktionskosten für biobasierte Kunststoffe sinken.

Kunststoffbezogener Kohlendioxidkreislauf. Heute wird die über Jahrmillionen abgelagert Biomasse in ihrer fossilen Form verbraucht (äußerer Kreis). Zwei Alternativrouten sind denkbar, an denen bis zur (wirtschaftlichen) Umsetzung jedoch noch intensive Forschung notwendig ist: Die Biosynthetische Chemie, die anstelle von fossilen Ressourcen die im Jahresverlauf verfügbare Biomasse nutzt. Und die biophotosynthetische Chemie, bei der wesentliche Stoffströme aus biophotosynthetischer Quelle stammen. © BIOPRO

Bei der Herstellung von Biopolymeren auf Basis nachwachsender Rohstoffe werden chemische und biotechnologische Methoden eingesetzt. Vor allem im Bereich der Biotechnologie steckt ein großes bisher ungenutztes Potential, das es zu erschließen gilt. Dies wird von der BIOPRO Baden-Württemberg im Rahmen ihrer Aktivitäten zum Thema Nachhaltigkeit durch Biotechnologie unterstützt. Im ersten Etappenziel soll die Biosynthetische Chemie etabliert werden. Dazu werden Produktionsverfahren entwickelt, die die im Jahresverlauf verfügbare Biomasse nutzen und so weitgehende Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen ermöglichen. Im zweiten Etappenziel sollen die wichtigsten Prozesse mit Hilfe photosynthetisch aktiver Mikroorganismen noch eine Effizienzstufe weiter gebracht werden. So könnten wesentliche Stoffströme künftig auch aus biophotosynthetischer Quelle stammen.

Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe vernetzt Akteure

Seit 2007 wird die Schnittstelle zwischen der Biotechnologie und dem Kunststoff- bzw. chemischen Sektor in Baden-Württemberg durch den Cluster Biopolymere/Biowerkstoffe der BIOPRO Baden-Württemberg betreut, der Akteure vernetzt und Entwicklungen vorantreibt. Der Cluster wird im Rahmen von „BioIndustrie 2021" des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Als Zielbranchen für biotechnologische Innovationen haben die chemische und kunststoffverarbeitende Industrie in Baden-Württemberg aufgrund ihrer Wirtschaftskraft hohe Relevanz. In Baden-Württemberg befassen sich circa 500 Unternehmen mit der Herstellung von Kunststoffwaren. Der Jahresumsatz in der Kunststoffverarbeitenden Industrie im Land beträgt über 7,5 Milliarden Euro. Etwa 50 000 Menschen stellen hier Waren für die Kunststoffindustrie sowie Kunststoffartikel für vielfältigen Bedarf her. Der Südwesten Deutschlands gehört bundesweit zu den Spitzenregionen der Chemieindustrie sowie der verarbeitenden Branchen und wird hauptsächlich durch kleine und mittlere Unternehmen geprägt.

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