BIOKUNSTSTOFFE: WIE SIE HERGESTELLT WERDEN, ARTEN, VOR- UND NACHTEILE - UMGEBUNG - 2024

Die Biokunststoffe sind jedes formbare Material, das auf Polymeren petrochemischen Ursprungs oder biologisch abbaubarer Biomasse basiert. Ähnlich wie herkömmliche Kunststoffe, die aus Erdöl synthetisiert werden, können diese zu verschiedenen Objekten geformt werden.

Biokunststoffe können je nach Herkunft aus Biomasse (biobasiert) oder petrochemischen Ursprungs gewonnen werden. Andererseits gibt es je nach Zersetzungsgrad biologisch abbaubare und nicht biologisch abbaubare Biokunststoffe.

Besteck aus biologisch abbaubarem Stärkepolyester. Quelle: Scott Bauer

Der Aufstieg von Biokunststoffen ergibt sich aus den Unannehmlichkeiten herkömmlicher Kunststoffe. Dazu gehört die Anreicherung nicht biologisch abbaubarer Kunststoffe in den Ozeanen und Deponien.

Andererseits haben herkömmliche Kunststoffe einen hohen CO2-Fußabdruck und einen hohen Gehalt an toxischen Elementen. Im Gegensatz dazu haben Biokunststoffe mehrere Vorteile, da sie keine toxischen Elemente produzieren und im Allgemeinen biologisch abbaubar und recycelbar sind.

Zu den Hauptnachteilen von Biokunststoffen zählen die hohen Produktionskosten und die geringere Beständigkeit. Darüber hinaus sind einige der verwendeten Rohstoffe potenzielle Lebensmittel, was ein wirtschaftliches und ethisches Problem darstellt.

Einige Beispiele für bioplastische Objekte sind biologisch abbaubare Beutel sowie Fahrzeug- und Mobiltelefonteile.

Eigenschaften von Biokunststoffen

Wirtschaftliche und ökologische Bedeutung von Biokunststoffen

Verschiedene Gebrauchsgegenstände aus Biokunststoff. Quelle: Hwaja Götz, über Wikimedia Commons

In jüngster Zeit besteht ein größeres wissenschaftliches und industrielles Interesse an der Herstellung von Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen, die biologisch abbaubar sind.

Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die weltweiten Ölreserven erschöpft sind und das Bewusstsein für die schwerwiegenden Umweltschäden durch Petroplastik größer ist.

Mit der wachsenden Nachfrage nach Kunststoffen auf dem Weltmarkt steigt auch die Nachfrage nach biologisch abbaubaren Kunststoffen.

Biologische Abbaubarkeit

Biologisch abbaubare Biokunststoffabfälle können als organische, schnell abbauende und umweltfreundliche Abfälle behandelt werden. Zum Beispiel können sie als Bodenverbesserungsmittel bei der Kompostierung verwendet werden, da sie auf natürliche Weise durch biologische Prozesse recycelt werden.

Biokunststoffe mit unzähligen kommerziellen Anwendungen. Quelle: F. Kesselring, FKuR Willich, über Wikimedia Commons

Einschränkungen von Biokunststoffen

Die Herstellung von biologisch abbaubaren Biokunststoffen steht vor großen Herausforderungen, da Biokunststoffe schlechtere Eigenschaften als Petroplastiken aufweisen und ihre Anwendung, obwohl sie wächst, begrenzt ist.

Verbesserung der Eigenschaften von Biokunststoffen

Um die Eigenschaften von Biokunststoffen zu verbessern, werden Biopolymermischungen mit verschiedenen Arten von Additiven entwickelt, wie Kohlenstoffnanoröhren und chemisch modifizierten Naturfasern.

Im Allgemeinen verbessern Additive, die auf Biokunststoffe angewendet werden, Eigenschaften wie:

• Steifigkeit und mechanische Beständigkeit.
• Barriereeigenschaften gegen Gase und Wasser.
• Thermoresistenz und Thermostabilität.

Diese Eigenschaften können durch chemische Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren in den Biokunststoff eingearbeitet werden.

Wie werden Biokunststoffe hergestellt?

Biokunststoff für Verpackungen aus thermoplastischer Stärke. Quelle: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

-Kurze Geschichte

Biokunststoffe sind älter als herkömmliche synthetische Kunststoffe aus Erdöl. Die Verwendung von Polymeren aus pflanzlichen oder tierischen Stoffen zur Herstellung von Kunststoffmaterial stammt aus dem 18. Jahrhundert unter Verwendung von Naturkautschuk (Latex aus Hevea brasiliensis).

Der erste Biokunststoff, der nicht diesen Namen erhielt, wurde 1869 von John Wesley Hyatt Jr. entwickelt, der einen Kunststoff aus Baumwollcellulose als Ersatz für Elfenbein herstellte. Ebenso wurde Ende des 19. Jahrhunderts Kasein aus Milch zur Herstellung von Biokunststoffen verwendet.

In den 1940er Jahren suchte das Unternehmen Ford nach Alternativen für die Verwendung pflanzlicher Rohstoffe zur Herstellung von Teilen für seine Autos. Diese Forschungsrichtung wurde durch Beschränkungen der Verwendung von Stahl durch den Krieg angeregt.

Infolgedessen entwickelte das Unternehmen im Jahr 1941 ein Automodell mit einer Karosserie, die hauptsächlich aus Soja-Derivaten bestand. Nach Kriegsende wurde diese Initiative jedoch nicht fortgesetzt.

Bis 1947 wurde der erste technische Biokunststoff hergestellt, Polyamid 11 (Rilsan als Marke). Später, in den 90er Jahren, traten PLA (Polymilchsäure), PHA (Polyhydroxyalkanoate) und plastifizierte Stärken auf.

-Rohstoff

Biobasierte Biokunststoffe werden aus pflanzlicher Biomasse hergestellt. Die drei grundlegenden Rohstoffquellen für die Biobasis sind die folgenden.

Natürliche Polymere der Biomasse

Natürliche Polymere, die direkt von Pflanzen hergestellt werden, wie Stärke oder Zucker, können verwendet werden. Beispielsweise ist "Kartoffelkunststoff" ein biologisch abbaubarer Biokunststoff aus Kartoffelstärke.

Aus Biomassemonomeren synthetisierte Polymere

Eine zweite Alternative ist die Synthese von Polymeren aus Monomeren, die aus pflanzlichen oder tierischen Quellen extrahiert wurden. Der Unterschied zwischen diesem und dem vorherigen Weg besteht darin, dass hier eine chemische Zwischensynthese erforderlich ist.

Beispielsweise wird Bio-PE oder grünes Polyethylen aus Ethanol hergestellt, das aus Zuckerrohr gewonnen wird.

Biokunststoffe können auch aus tierischen Quellen wie Glykosaminoglykanen (GAGs) hergestellt werden, bei denen es sich um Eierschalenproteine ​​handelt. Der Vorteil dieses Proteins besteht darin, dass es resistentere Biokunststoffe erhalten kann.

Biotechnologie basierend auf Bakterienkulturen

Eine andere Möglichkeit, Polymere für Biokunststoffe herzustellen, ist die Biotechnologie durch Bakterienkulturen. In diesem Sinne synthetisieren und speichern viele Bakterien Polymere, die extrahiert und verarbeitet werden können.

Hierzu werden die Bakterien in geeigneten Kulturmedien massiv kultiviert und anschließend zur Reinigung des spezifischen Polymers verarbeitet. Beispielsweise wird PHA (Polyhydroxyalkanoate) von verschiedenen Bakteriengattungen synthetisiert, die in einem Medium mit überschüssigem Kohlenstoff und ohne Stickstoff oder Phosphor wachsen.

Bakterien speichern das Polymer in Form von Granulaten im Zytoplasma, die durch Verarbeitung der Bakterienmassen extrahiert werden. Ein weiteres Beispiel ist PHBV (PolyhydroxyButylValerate), das aus Bakterien gewonnen wird, die mit Zucker aus Pflanzenresten gefüttert werden.

Die größte Einschränkung der auf diese Weise erhaltenen Biokunststoffe sind die Produktionskosten, hauptsächlich aufgrund der erforderlichen Kulturmedien.

Kombination von natürlichem Polymer und biotechnologischem Polymer

Die Universität von Ohio entwickelte einen ziemlich starken Biokunststoff, indem sie Naturkautschuk mit bioklastischem PHBV, organischem Peroxid und Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA) kombinierte.

-Fertigungsprozess

Biokunststoffe werden je nach Rohmaterial und gewünschten Eigenschaften nach verschiedenen Verfahren hergestellt. Biokunststoffe können durch elementare Prozesse oder komplexere industrielle Prozesse erhalten werden.

Grundlegender Prozess

Es kann gekocht und geformt werden, wenn natürliche Polymere wie Stärke oder Mais oder Kartoffelstärke verwendet werden.

Ein elementares Rezept zur Herstellung eines Biokunststoffs ist daher das Mischen von Maisstärke oder Kartoffelstärke mit Wasser unter Zugabe von Glycerin. Anschließend wird diese Mischung gekocht, bis sie dick wird, geformt und trocknen gelassen wird.

Prozesse mittlerer Komplexität

Bei Biokunststoffen, die mit Polymeren hergestellt werden, die aus Biomassemonomeren synthetisiert wurden, sind die Prozesse etwas komplexer.

Beispielsweise erfordert aus Zuckerrohrethanol gewonnenes Bio-PE eine Reihe von Schritten. Das erste ist, den Zucker aus dem Rohr zu extrahieren, um Ethanol durch Fermentation und Destillation zu erhalten.

Dann wird das Ethanol dehydratisiert und Ethylen erhalten, das polymerisiert werden muss. Schließlich werden unter Verwendung von Tiefziehmaschinen Objekte auf der Basis dieses Biokunststoffs hergestellt.

Komplexe und teurere Prozesse

Wenn man sich auf Biokunststoffe bezieht, die aus Polymeren hergestellt werden, die durch Biotechnologie erhalten werden, steigen die Komplexität und die Kosten. Dies liegt daran, dass Bakterienkulturen beteiligt sind, die spezifische Kulturmedien und Wachstumsbedingungen erfordern.

Dieser Prozess basiert auf der Tatsache, dass bestimmte Bakterien natürliche Polymere produzieren, die sie darin speichern können. Ausgehend von den geeigneten Nährstoffen werden diese Mikroorganismen daher kultiviert und verarbeitet, um die Polymere zu extrahieren.

Biokunststoffe können auch aus einigen Algen wie Botryococcus braunii hergestellt werden. Diese Mikroalgen können Kohlenwasserstoffe produzieren und sogar in die Umwelt ausscheiden, aus denen Kraftstoffe oder Biokunststoffe gewonnen werden.

-Herstellung von Produkten auf Basis von Biokunststoffen

Das Grundprinzip ist das Formen des Objekts dank der plastischen Eigenschaften dieser Verbindung unter Verwendung von Druck und Wärme. Die Verarbeitung erfolgt durch Extrusion, Injektion, Injektion und Blasen, Vorformblasen und Thermoformen und wird schließlich abgekühlt.

Typen

Verpackung aus Celluloseacetat. Quelle: Christian Gahle, nova-Institut GmbH

Die Ansätze zur Klassifizierung von Biokunststoffen sind vielfältig und nicht unumstritten. In jedem Fall sind die Kriterien zur Definition der verschiedenen Typen der Ursprung und der Zersetzungsgrad.

-Ursprung

Nach einem verallgemeinerten Ansatz können Biokunststoffe nach ihrer Herkunft als biobasiert oder nicht biobasiert klassifiziert werden. Im ersten Fall werden die Polymere aus pflanzlicher, tierischer oder bakterieller Biomasse gewonnen und sind daher nachwachsende Rohstoffe.

Auf der anderen Seite sind nicht biobasierte Biokunststoffe solche, die mit aus Öl synthetisierten Polymeren hergestellt werden. Da sie jedoch aus einer nicht erneuerbaren Ressource stammen, sind einige Spezialisten der Ansicht, dass sie nicht als Biokunststoffe behandelt werden sollten.

-Zersetzungsgrad

In Bezug auf den Zersetzungsgrad können Biokunststoffe biologisch abbaubar sein oder nicht. Die biologisch abbaubaren zersetzen sich in relativ kurzer Zeit (Tage bis einige Monate) unter geeigneten Bedingungen.

Nicht biologisch abbaubare Biokunststoffe verhalten sich ihrerseits wie herkömmliche Kunststoffe petrochemischen Ursprungs. In diesem Fall wird die Abklingzeit in Jahrzehnten und sogar Jahrhunderten gemessen.

Es gibt auch Kontroversen bezüglich dieses Kriteriums, da einige Wissenschaftler der Ansicht sind, dass ein echter Biokunststoff biologisch abbaubar sein muss.

-Origin und biologischer Abbau

Wenn die beiden vorherigen Kriterien kombiniert werden (Ursprung und Zersetzungsgrad), können Biokunststoffe in drei Gruppen eingeteilt werden:

1. Aus nachwachsenden Rohstoffen (biobasiert) und biologisch abbaubar.
2. Diese werden aus nachwachsenden Rohstoffen (biobasiert) gewonnen, sind jedoch nicht biologisch abbaubar.
3. Wird aus Rohstoffen petrochemischen Ursprungs gewonnen, die jedoch biologisch abbaubar sind.

Es ist wichtig zu beachten, dass ein Polymer, um es als Biokunststoff zu betrachten, eine dieser drei Kombinationen eingeben muss.

Biobasiert, biologisch abbaubar

Unter den biobasierten und biologisch abbaubaren Biokunststoffen befinden sich Polymilchsäure (PLA) und Polyhydroxyalkanoat (PHA). PLA ist eines der am häufigsten verwendeten Biokunststoffe und wird hauptsächlich aus Mais gewonnen.

Dieser Biokunststoff hat ähnliche Eigenschaften wie Polyethylenterephthalat (PET, herkömmlicher Kunststoff vom Polyestertyp), obwohl er gegenüber hohen Temperaturen weniger beständig ist.

PHA hat seinerseits variable Eigenschaften, abhängig von dem spezifischen Polymer, aus dem es besteht. Es wird aus Pflanzenzellen oder durch Biotechnologie aus Bakterienkulturen gewonnen.

Diese Biokunststoffe sind sehr empfindlich gegenüber Verarbeitungsbedingungen und ihre Kosten sind bis zu zehnmal höher als bei herkömmlichen Kunststoffen.

Ein weiteres Beispiel für diese Kategorie ist PHBV (PolyhydroxyButylValerate), das aus Pflanzenresten gewonnen wird.

Biobasiert - nicht biologisch abbaubar

In dieser Gruppe haben wir Bio-Polyethylen (BIO-PE) mit ähnlichen Eigenschaften wie herkömmliches Polyethylen. Bio-PET weist seinerseits ähnliche Eigenschaften wie Polyethylenterephthalat auf.

Beide Biokunststoffe werden üblicherweise aus Zuckerrohr hergestellt, wobei Bioethanol als Zwischenprodukt erhalten wird.

Zu dieser Kategorie gehört auch Bio-Polyamid (PA), ein recycelbarer Biokunststoff mit hervorragenden Wärmedämmeigenschaften.

-Nicht biobasiert-biologisch abbaubar

Die biologische Abbaubarkeit hängt mit der chemischen Struktur des Polymers und nicht mit der Art des verwendeten Rohmaterials zusammen. Daher können biologisch abbaubare Kunststoffe bei ordnungsgemäßer Verarbeitung aus Erdöl gewonnen werden.

Ein Beispiel für diese Art von Biokunststoffen sind Polycaprolactone (PCL), die bei der Herstellung von Polyurethanen verwendet werden. Dies ist ein Biokunststoff, der aus Erdölderivaten wie Polybutylensuccinat (PBS) erhalten wird.

Vorteil

Bonbonpapier aus PLA (Polymilchsäure). Quelle: F. Kesselring, FKuR Willich

Sie sind biologisch abbaubar

Obwohl nicht alle Biokunststoffe biologisch abbaubar sind, ist dies für viele Menschen die grundlegende Eigenschaft. Tatsächlich ist die Suche nach dieser Eigenschaft einer der grundlegenden Motoren des Biokunststoffbooms.

Herkömmliche Kunststoffe auf Erdölbasis und nicht biologisch abbaubare Kunststoffe brauchen Hunderte und sogar Tausende von Jahren, um sich zu zersetzen. Diese Situation stellt ein ernstes Problem dar, da sich Deponien und Ozeane mit Kunststoffen füllen.

Aus diesem Grund ist die biologische Abbaubarkeit ein sehr relevanter Vorteil, da sich diese Materialien in Wochen, Monaten oder einigen Jahren zersetzen können.

Sie verschmutzen die Umwelt nicht

Da es sich um biologisch abbaubare Materialien handelt, nehmen Biokunststoffe keinen Platz mehr als Müll ein. Darüber hinaus haben sie den zusätzlichen Vorteil, dass sie in den meisten Fällen keine toxischen Elemente enthalten, die sie an die Umwelt abgeben können.

Sie haben einen geringeren CO2-Fußabdruck

Sowohl bei der Herstellung von Biokunststoffen als auch bei deren Zersetzung wird weniger CO2 freigesetzt als bei herkömmlichen Kunststoffen. In vielen Fällen setzen sie kein Methan frei oder in geringen Mengen und haben daher nur geringe Auswirkungen auf den Treibhauseffekt.

Beispielsweise reduzieren Biokunststoffe aus Ethanol aus Zuckerrohr die CO2-Emissionen um bis zu 75% im Vergleich zu denen aus Erdöl.

Sicherer Transport von Speisen und Getränken

Im Allgemeinen werden bei der Herstellung und Zusammensetzung von Biokunststoffen keine toxischen Substanzen verwendet. Daher stellen sie ein geringeres Kontaminationsrisiko für die darin enthaltenen Lebensmittel oder Getränke dar.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, die Dioxine und andere umweltschädliche Komponenten produzieren können, sind biobasierte Biokunststoffe harmlos.

Nachteile

Die Nachteile hängen hauptsächlich mit der Art des verwendeten Biokunststoffs zusammen. Unter anderem haben wir folgendes.

Weniger Widerstand

Eine Einschränkung, die die meisten Biokunststoffe im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen aufweisen, ist ihre geringere Beständigkeit. Diese Eigenschaft ist jedoch mit seiner Fähigkeit zum biologischen Abbau verbunden.

Höhere Kosten

In einigen Fällen sind die zur Herstellung von Biokunststoffen verwendeten Rohstoffe teurer als die aus Erdöl.

Andererseits bedeutet die Herstellung einiger Biokunststoffe höhere Verarbeitungskosten. Insbesondere sind diese Produktionskosten höher bei denen, die durch biotechnologische Prozesse, einschließlich der Massenkultivierung von Bakterien, hergestellt werden.

Nutzungskonflikt

Aus Lebensmittelrohstoffen hergestellte Biokunststoffe konkurrieren mit den menschlichen Bedürfnissen. Da es rentabler ist, Pflanzen für die Herstellung von Biokunststoffen zu verwenden, werden diese aus dem Kreislauf der Lebensmittelproduktion entfernt.

Dieser Nachteil gilt jedoch nicht für Biokunststoffe, die aus ungenießbaren Abfällen gewonnen werden. Unter diesen Abfällen befinden sich Erntereste, ungenießbare Algen, Lignin, Eierschalen oder Hummer-Exoskelette.

Sie sind nicht leicht zu recyceln

PLA-Biokunststoff ist herkömmlichem PET-Kunststoff (Polyethylenterephthalat) sehr ähnlich, kann jedoch nicht recycelt werden. Wenn daher beide Kunststofftypen in einem Recyclingbehälter gemischt werden, kann dieser Inhalt nicht recycelt werden.

In diesem Zusammenhang besteht die Befürchtung, dass der zunehmende Einsatz von PLA die bestehenden Bemühungen um das Recycling von Kunststoffen behindern könnte.

Beispiele und ihre Verwendung von mit Biokunststoffen hergestellten Produkten

Weinbehälter aus Biokunststoff aus landwirtschaftlichen Abfällen und Myzelien. Quelle: Mycobond

- Einweg- oder Einweggegenstände

Die Gegenstände, die am meisten Abfall erzeugen, sind Behälter, Verpackungen, Teller und Besteck, die mit Fast Food und Einkaufstüten verbunden sind. Daher spielen in diesem Bereich biologisch abbaubare Biokunststoffe eine relevante Rolle.

Aus diesem Grund wurden verschiedene Produkte auf Basis von Biokunststoffen entwickelt, um die Reduzierung der Abfallerzeugung zu beeinflussen. Unter anderem haben wir den biologisch abbaubaren Beutel aus Ecovio der BASF oder die Plastikflasche aus PLA, die Safiplast in Spanien aus Mais gewonnen hat.

Wasserkapseln

Die Firma Ooho stellte biologisch abbaubare Kapseln aus Algen mit Wasser anstelle traditioneller Flaschen her. Dieser Vorschlag war sehr innovativ und erfolgreich und wurde bereits beim London-Marathon getestet.

Landwirtschaft

Bei einigen Kulturen wie Erdbeeren ist es üblich, den Boden mit einer Plastikfolie zu bedecken, um Unkraut zu bekämpfen und ein Einfrieren zu vermeiden. In diesem Sinne wurden bioplastische Polster wie Agrobiofilm entwickelt, um herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen.

-Objekte für dauerhafte Anwendungen

Die Verwendung von Biokunststoffen ist nicht auf Verwendungs- und Entsorgungsgegenstände beschränkt, sondern kann in haltbareren Gegenständen verwendet werden. Zum Beispiel produziert das Unternehmen von Zoë b Organic Strandspielzeug.

Komplexe Gerätekomponenten

Toyota verwendet Biokunststoffe in einigen Autoteilen, z. B. Komponenten für Klimaanlagen und Bedienfelder. Hierfür werden Biokunststoffe wie Bio-PET und PLA verwendet.

Fujitsu seinerseits verwendet Biokunststoffe, um Computermäuse und Tastaturteile herzustellen. Bei der Firma Samsung haben einige Mobiltelefone Gehäuse, die größtenteils aus Biokunststoff bestehen.

Bau und Tiefbau

Stärkebiokunststoffe wurden als Baustoffe und nanofaserverstärkte Biokunststoffe in elektrischen Anlagen eingesetzt.

Darüber hinaus wurden sie zur Herstellung von bioplastischen Möbelhölzern verwendet, die nicht von xylophagen Insekten befallen werden und nicht mit Feuchtigkeit verrotten.

-Pharmazeutische Anwendungen

Sie wurden mit Biokunststoffkapseln hergestellt, die Arzneimittel und Arzneimittelträger enthalten, die langsam freigesetzt werden. Somit wird die Bioverfügbarkeit von Arzneimitteln über die Zeit reguliert (die Dosis, die der Patient in einer bestimmten Zeit erhält).

-Medizinische Anwendungen

Cellulose-Biokunststoffe, die in Implantaten, Tissue Engineering, Chitin und Chitosan-Biokunststoffen anwendbar sind, wurden für den Wundschutz, das Knochengewebe-Engineering und die Regeneration der menschlichen Haut hergestellt.

Cellulose-Biokunststoffe wurden auch für Biosensoren, Mischungen mit Hydroxylapatit zur Herstellung von Zahnimplantaten, Biokunststofffasern in Kathetern usw. hergestellt.

Luft-, See- und Landtransport und Industrie

Hartschäume auf der Basis von Pflanzenölen (Biokunststoffe) wurden sowohl in Industrie- als auch in Transportgeräten verwendet; Autoteile und Luft- und Raumfahrtteile.

Elektronische Komponenten von Mobiltelefonen, Computern, Audio- und Videogeräten wurden ebenfalls aus Biokunststoffen hergestellt.

-Landwirtschaft

Biokunststoff-Hydrogele, die Wasser aufnehmen und zurückhalten und es langsam freisetzen können, eignen sich als Schutzdecken für den Kulturboden, halten dessen Feuchtigkeit aufrecht und begünstigen das Wachstum landwirtschaftlicher Plantagen in trockenen Regionen und in der Regenzeit.

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