Kooperationsforum

Biopolymere 2012

20. November 2012, Herzogschloss, Straubing

Bericht

Biopolymere – Hightech-Materialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe

  • Verfünffachung der Biokunststoffproduktion bis 2016 prognostiziert
  • Neue biobasierte Produkte für Automobil, Sport, Verpackung und Medizin
  • Biobasierte Materialien als Medikamententräger oder für Implantatbeschichtung
  • Drittes Kooperationsforum mit über 280 Teilnehmern in Straubing

Die Nachfrage nach Biopolymeren steigt stetig. Aktuell wird mit einer Zunahme der weltweiten Produktionskapazitäten für Biokunststoffe von derzeit 1,2 auf über 5,7 Millionen Tonnen bis 2016 gerechnet.
Dies ist u. a. auf die Entwicklung neuer Technologien zurückzuführen, die erlauben, alternative Rohstoffquellen zu nutzen und Materialeigenschaften zu optimieren. Das wachsende Interesse von Unternehmen an neuen Materialien auf Basis nach-wachsender Rohstoffe trägt ebenfalls dazu bei. Nachhaltigkeit, Reduktion von CO2-Emissionen und die Unabhängigkeit von fossilen Ressourcen sind weitere Treiber.
Biopolymere haben mittlerweile Einzug in die verschiedensten Bereiche gehalten, von Verpackungen, Automobil und Elektronik bis hin zu Textil, Sport, Freizeit und Medizin.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen biobasierten Materialien, die aus  nachwachsenden Rohstoffen oder Biomasse über verschiedene Prozesse hergestellt werden, und bioabbaubaren Materialien. Die Abbaubarkeit ist jedoch abhängig von der chemischen Struktur des verwendeten Polymers, welches aus fossilen oder nachwachsenden Rohstoffen stammen kann.
Biopolymere werden vorwiegend durch Fermentation von Mikroorganismen (z. B. PLA, PHA) aus Kohlenhydraten stärkehaltiger Pflanzen oder Agrarreststoffen gewonnen. Sie können auch direkt aus Pflanzenmaterial (z. B. Cellulose, Rizinusöl) hergestellt werden oder tierischen Ursprungs (z. B. Spinnenseide, Chitin) sein.

Das dritte Kooperationsforum „Biopolymere“, das in Zusammenarbeit mit dem Kompetenzzentrum für Nachwachsende Rohstoffe am 20. November 2012 in Straubing durchgeführt wurde, informierte u. a. über innovative Anwendungen für cellulosebasierte Polymere im Textil- und Medizinbereich, das Potenzial für biobasierte Kunststoffe und neuartige biobasierte Funktionsmaterialien. Weitere Partner waren der BioCampus Straubing, die IBB Netzwerk GmbH sowie der Cluster Neue Werkstoffe. Unterstützt wurde das Forum durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie.

Die nachfolgenden Ausführungen sind wie folgt gegliedert:

Zukünftige Entwicklungen und Trends im Bereich der Biopolymere und Biokunststoffe

Dr. Ulrich Kettling, Clariant AG, stellte das sunliquid®-Verfahren zur Herstellung von Bio-Ethanol aus Agrarreststoffen vor. Er betonte, dass durch diesen Prozess mit Ausgangsstoffen, wie z. B. Stroh, die "Teller-Tank"-Diskussion außen vor stehe. Clariant verfolgt damit einen nachhaltigen Ansatz der Reststoffverwertung, der auch andere Ausgangsstoffe wie Bagasse, Zuckerrohr und Zuckerrüben berücksichtigt. Letztere konnten im Labormaßstab erfolgreich als Fermentationssubstrat getestet und vollständig verflüssigt werden. Mit dem Verfahren Liquebeet® können aus Zuckerrüben Chemikalien auf Basis nachwachsender Rohstoffe hergestellt werden. Damit stellt die sunliquid®-Technologie eine kompetitive Plattform für fermentierbare Zucker aus Rohstoffen der ersten und zweiten Generation dar und ermöglicht die Synthese von sogenannten "Green building blocks" und "Drop-in"-Polymeren wie Ethylen.

Fakten forderte Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres von der Hochschule Hannover in der Diskussion um die Verwendung nachwachsender Rohstoffe. Bei seiner Markt-übersicht über Biokunststoffe schickte er voraus, dass das gesamte Know-how über Eigenschaften und Anwendungen bereits aus der Petrochemie verfügbar sei und nur auf Biokunststoffe übertragen werden müsse. Für das Jahr 2016 prognostizierte er einen Anteil von weniger als 0,1 % der weltweit verfügbaren Ackerfläche (14 Millionen Quadratkilometer), um die jährliche Bioplastik-Produktion abzudecken.
Vor allem plädierte er für eine primär stoffliche Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen anstelle der heute geförderten direkten energetischen Verwertung. Nach einem "erfolgreichen" Produktleben können die Biopolymere immer noch energetisch genutzt werden, z. B. in Biogasanlagen.

Potentiale der Cellulose für innovative Materialien und neuartige Anwendungen

Dr. Matthias Konrad, Bayern Innovativ, moderierte die erste Vortragsreihe. Hier war der Fokus auf Cellulose als Basis für innovative biobasierte Materialien gerichtet.
Als Strukturkomponente aller Pflanzen bietet der Rohstoff Cellulose ein sehr breites Spektrum an Eigenschaften. In der Papierproduktion wird Cellulose direkt eingesetzt, als Regeneratcellulose dient sie u. a. zur Herstellung von Viskose oder Cellophan und auch im Kosmetik- und Lebensmittelsektor finden sich zahlreiche Anwendungen. Das natürliche Polymer lässt sich mit Hilfe der Chemie so verarbeiten, dass Querschnitt, Feinheit oder Schnittlänge der Cellulosefasern modifiziert und eine Ummantelung sowie Einbettung von Additiven erreicht werden kann. Dr. Haio Harms, Geschäftsführer der Kelheim Fibres, berichtete wie durch Funktionalisierung der Cellulose vielfältige Anwendungen ermöglicht werden. Kationisch aktive Fasern können beispielsweise zur Wasserenthärtung oder zum Schutz vor Textilverfärbung in der Waschmaschine eingesetzt werden. Viskosefasern mit inkorporierten Mikrokapseln sind Basis für hochfunktionelle Sport-, Schutz und Militärbekleidung. "Phase-Change"-Materialien regulieren die Temperatur und sorgen unter extremen Bedingungen für einen guten Tragekomfort. Weitere Spezialanwendungen umfassen den Einsatz von Viskose in Inkontinenzprodukten durch erhöhte Flüssigkeitsspeicherkapazität oder Wundver-bänden, die aktive Substanzen abgeben und somit zu einer schnelleren Wundheilung beitragen.

An dieses Thema knüpfte Prof. Dr. Thomas Heinze, Universität Jena, in seinem Vortrag an. Chemische Modifizierungen der supramolekularen Struktur verleihen Cellulose multifunktionelle Eigenschaften, die als Basis für eine Vielzahl von High-Tech Produkten dienen können. Ein Beispiel ist die Synthese von Aminocellulose. Mittels Dialyse werden aus Aminocellulose Nanopartikel generiert, die z. B. als Wirkstoff-träger genutzt werden können. Die Aufnahme dieser Nanopartikel in Zellen wurde anhand einer Fluoreszenzmarkierung nachgewiesen. Eine weitere Anwendung ergibt sich aus der reversiblen Aggregation von Aminocellulose und der Bildung von Monolayers. Diese Eigenschaft kann zur Immobilisierung von Antikörpern und somit als Biosensor für die Proteindetektion genutzt werden.

Dr. Michael Duetsch stellte die "Biofore"-Strategie der UPM vor. Im Zentrum der  Aktivitäten des finnischen Unternehmens mit Sitz in Augsburg steht Lignocellulose, die in verschiedene Ausgangsstoffe für die Herstellung von Biokompositen, Biopo-lymeren, Biochemikalien und Biokraftstoffe umgewandelt wird. Dabei greift UPM auf Holz aus eigenen Waldbeständen zurück und profitiert von der Erfahrung mit Cellulose bei der Papierherstellung. Anwendungsbeispiele sind u. a. ligninfreie Biokom-posite, die aus Cellulose und Kunststoff bestehen oder fibrilläre Cellulose. Diese "Biofibrils" bilden Hydrogele und hochviskose Lösungen in Wasser, die industrielle An-wendung als Zusatz in Farben und Beton finden oder im Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmabereich eingesetzt werden können.

Neue Einsatzbereiche für Funktions- und Strukturmaterialien: Spinnenseide, Schizophyllan und Biotemplating

Die Natur erzeugt Materialien mit außergewöhnlichen mechanischen, chemischen und biologischen Eigenschaften. Prof. Dr. Volker Sieber, Wissenschaftszentrum Straubing, moderierte die Reihe "Spezialpolymere und Funktionsmaterialien", in der technische Anwendungen dieser Polymere und Funktionsmaterialien vorgestellt wurden.

Ein faszinierendes Biopolymer ist die Spinnenseide, die schon seit mehr als tausend Jahren aufgrund der hohen Reißfestigkeit und Dehnbarkeit genutzt wird. Für moderne Anwendungen sind u. a. die entzündungshemmenden und hypoallergenen Eigen-schaften interessant.
Das Team von Prof. Dr. Thomas Scheibel konnte nachweisen,  dass die Fäden aus Spinnenseidenprotein abhängig vom Faserdurchmesser mit Fibroblasten inter-agieren. Darüber hinaus sind die Seidenfäden weder toxisch noch lösen sie eine Antikörperantwort aus. Auf diesen Eigenschaften beruht die Herstellung von Vliesstoffen aus Spinnenseide, die als Wundauflage oder für die Beschichtung von Implantaten geeignet sind.
Ein Beispiel für eine technische Produktanwendung mit Spinnenseidenfasern ist ein Staubsaugerbeutel, der von der Universität Bayreuth, der Sandler AG und von Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH entwickelt wurde. Hierfür wurden Vliese mit Hilfe des Elektrospinnverfahrens produziert, die auf Spinnenseidenprotein basieren und eine deutlich verbesserte Filterleistung zeigen.
Die industrielle Produktion von Spinnenseidenproteinen wird von der Firma AMSilk vorangetrieben, um die Entwicklung von spezifischen Seidenprodukten zur Marktreife zu bringen.
Zahlreiche Vorlagen für komplexen Struktur- und Funktionsmaterialien finden sich in der Natur und können genutzt werden, um biobasierte Materialien mit optoelek-tronische, photonischen oder aktuatorischen Eigenschaften im Labor herzustellen.

Prof. Dr. Cordt Zollfrank, Wissenschaftszentrum Straubing, erläuterte in seinem Vortrag wie dies mit Hilfe des Biotemplating und der bioinspirierten Materialsynthese erreicht werden kann.

Makroskopische Strukturen von Holz lassen sich nutzen, um biomorphe Keramiken herzustellen. Durch Pyrolyse wird die Gerüststruktur des Holzes erhalten und anschließend zu einer anorganischen Keramik umgewandelt. Dabei geht jedoch die Nanostruktur des Holzes verloren. Eine Möglichkeit diese Struktur zu erhalten bietet die chemische Modifizierung. Durch Infiltration mit Silica erhält man Holz-Silica-Komposite, die nach thermischer Behandlung eine hierarchisch strukturierte Keramik mit den gleichen strukturellen Eigenschaften wie die Holzzellwand aufweisen. Dieses Verfahrensprinzip kann auch angewendet werden, um die photonische Mikrostruktur von Käferschuppen unter Erhalt der Strukturfarben in funktionelle Materialien zu überführen.
Für ein weiteres Forschungsprojekt dienen Tannenzapfen als Vorlage. Dabei geht es um die Herstellung molekularer Aktuatoren mit Biopolymeren basierend auf der Quellfähigkeit von Cellulose. Bei Wasseraufnahme schließen sich die Zapfen, Verdunstung des Wassers resultiert in einer Öffnung. Mit Techniken wie dem Microcontactprinting versucht man nun dieses Verhalten im Labor nachzustellen, um bioinspirierte Materialien mit intrinsischen Materialfunktionen zu erhalten.

Sebastian Briechle, BASF, stellte eine neue industrielle Anwendung für Biopolymere in der Erdölförderung vor. Normalerweise werden Chemikalien dem Injektionswasser zur Gewinnung von Erdöl zugesetzt, um durch die erhöhte Viskosität die Ölfördermenge zu steigern. Hohen Temperaturen und Salzkonzentration stellen große Anforderungen an die chemische Stabilität der eingesetzten Substanzen. Schizophyllan, ein Polysaccharid aus der Zellwand des Gemeinen Spaltblättlings (Schizophyllum commune) entspricht den extremen Anforderungen aufgrund der hohen Temperaturtoleranz und guten mechanischen Stabilität.
Schizophyllan wird mit Hilfe eines Fermentationsprozesses gewonnen und für den Einsatz im Ölfeld aufbereitet. Eine Steigerung der Ausbeute von bis zu 20 Prozent wird mit diesem Polysaccharid erwartet. Erste Feldtests starten bald im nord-deutschen Bockstedt.

Neue biobasierter Hochleistungsmaterialien für Automobil, Sport und Freizeit sowie Verpackung

Industrielle Anwendungen von biobasierten Polyamiden, thermoplastischen Polyurethanen und Polylactiden wurden in der von Prof. Dr. Haralabos Zorbas, IBB Netzwerk GmbH, moderierten Reihe, präsentiert.

Dr. Patrice Perret, Arkema, stellte biobasierte Polyamide, die aus dem Öl der Rizinuspflanze gewonnen werden, vor. Das 1947 entwickelte Verfahren erlangt zunehmend an Bedeutung, da die Kosten der biobasierten Polyamide inzwischen kompetitiv mit fossil basierten Polymeren sind. Die Rizinuspflanze wächst in semiariden Gebieten und wird nicht zur Produktion von Nahrungsmitteln angepflanzt. Dmait ist keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion gegeben. Die biobasierten Polyamide weisen gleiche Performance und sehr ähnliche Eigenschaften wie die erdölbasierten Polyamide auf, bestehen je nach Produktart zu 20 bis 95 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen und eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. So finden sich biobasierte Polyamide in Autoteilen (u.a. Motor, Tank), in Sport- und Freizeitartikeln (u.a. Ski und Schuhen) oder in Konsumgüter und Elektronikprodukten (u.a. Computer, Handy, Zahnbürste) wieder.

Bayer MaterialScience ist ein Hersteller von thermoplastischen Polyurethanen (TPU). Im Hinblick auf ihre Materialeigenschaften überbrücken diese den Anwendungsbereich zwischen Gummi und thermoplastischen Elastomeren. Durch die Herstellung aus drei unterschiedlichen Bestandteilen, Polyol, Diisocyanat und einem Kettenverlängerer, können die Polymerstruktur und somit die Eigenschaften der Polymere fein gesteuert werden. Auch bei biobasierten TPU mit Anteilen von 25-75 Prozent biobasierten Chemikalien sind die Eigenschaften exakt einstellbar und die Materialeigenschaften mit herkömmlichen TPU vergleichbar, wie Georg Fuchte, Bayer MaterialScience, ausführte. Damit ergeben sich vielfältige Anwendungsbereiche für biobasierte TPU, von Schuhen und Freizeitartikeln bis hin zu Automobilanwendungen.

Dr. Uwe Bölz, HPX Polymers diskutierte in seinem Vortrag das Thema Nachhaltigkeit im Verpackungsbereich. Nachhaltige Produktentwicklung beinhaltet vier verschiedene Aspekte: Bioabbaubarkeit, nachwachsende Rohstoffe, Recycling und Reduktion des Ressourcenverbrauchs.
Als Beispiel für ein bioabbaubares Polymer führte er PLA an und verglich die Eigenschaften biobasierter Folien mit konventionellen Verpackungsstoffen in Bezug auf Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeit zum Schutz eines Produktes. Aus diesen Überlegungen heraus entstand die Entwicklung eines bioabbaubarem Verbund-werkstoffes zur Verpackung von Frischfisch. Das Produkt ist bereits auf dem Markt eingeführt und wird von Deutsche See GmbH verwendet.

Rahmen der Veranstaltung

Über 280 Teilnehmer aus Deutschland, Österreich, Schweiz, Frankreich und Schweden nutzten die Veranstaltung als Plattform, um sich zu informieren und neue Kontakte für zukünftige Kooperationen zu knüpfen, u. a. Audi, Baerlocher, BASF, Biomer, Brose Fahrzeugtechnik, CHT/Bezema, Denso Automotive, Domo Caproleuna, Dräxlmaier Group, Euroferm, Evonik Industries, Freudenberg, Gerlinger Industries, Grafe ColorBatch, H.Hiendl, HUESKER Synthetic, Lenzing, Metabolic Explorer, Novamont, Oechsler, Polymaterials, PUMA, Rapp Kunststofftechnik, Raumedic, Roth Industries, SGL Carbon, Siemens, SLG Kunststoff, Symrise, ThyssenKrupp Uhde, TWD Fibres, UVEX und Forschungseinrichtungen wie DKFZ, Forschungszentrum Jülich, Fraunhofer Institute, Kompetenzzentrum Holz, Papiertechnische Stiftung sowie weitere Institute und Universitäten aus Bayreuth, Chemnitz, Denkendorf, Erlangen, Jena, Leipzig, München, Rudolstadt, Straubing und Würzburg. 

In der begleitenden Fachausstellung präsentierten Unternehmen und wissenschaftliche Institute ihre Technologien, Produkte und Dienstleistungen:

  • BioCampus Straubing GmbH, Straubing
  • C.A.R.M.E.N. e.V., Straubing
  • Erich Huber GmbH, Gernlinden
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Projektgruppe BioCat, Straubing
  • H. Hiendl Kunststofftechnik GmbH & Co. KG, Bogen
  • Innovent e.V., Jena
  • Kelheim Fibres, Kelheim
  • Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e. V., Rudolstadt
  • Waldner Laboreinrichtungen GmbH & Co. KG, Wangen
  • Wissenschaftszentrum Straubing, Straubing

Am Vortag hatten 50 Teilnehmer die Möglichkeit, sich über aktuelle Forschungs-projekte am Wissenschaftszentrum Straubing zu informieren. Die Firmenbesichtigung bei Kelheim Fibres erlaubte einen Einblick in die Herstellung von Viskosefasern. Anschließend konnten sich die Teilnehmer über den sunliquid®-Prozess zur Produktion von Zellulose-Ethanol in der neuen Demonstrationsanlage der Clariant informieren. Das Verfahren wurde im Rahmen eines Vortrags von Dr. Ulrich Kettling, Clariant, erläutert. Über die Aktivitäten und Perspektiven des "Green Chemistry Belt" berichtete Andreas Löffert, Geschäftsführer der BioCampus Straubing GmbH.

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