Biokunststoffe: Herstellungsprozesse erklärt

Die Natur hat uns seit jeher inspiriert, besonders wenn es um den Aufbau komplexer Strukturen geht. Im Bereich der Polymere lieferte die Natur die grundlegenden Vorbilder für chemische Reaktionen, die zur Herstellung verschiedenster Materialien führen. Ein herausragendes Beispiel ist die Photosynthese, bei der Pflanzen Kohlendioxid (CO₂), Wasser und Sonnenenergie nutzen, um zunächst Glucose und daraus dann vielfältige Biopolymere in Form von Kohlenhydraten zu bilden. Die bekanntesten Beispiele für solche natürlich vorkommenden Biopolymere sind Cellulose und Stärke.

Das grundlegende Prinzip hinter der Entstehung dieser natürlichen Polymere besteht darin, kleinere chemische Einheiten, sogenannte Monomere, chemisch miteinander zu verbinden und so zu großen, energiereichen Makromolekülen aufzubauen. Diese Makromoleküle erfüllen in Pflanzen oft wichtige Funktionen als Stütz- oder Speicherstoffe. Die Menschheit hat diese natürlich entstandenen „Biopolymere“ wie Stärke, Holz oder Baumharze schon vor Jahrtausenden für unterschiedlichste Zwecke genutzt – sei es als Nahrung, zur Herstellung von Werkzeugen, für Kleidung oder als Baumaterial.

Die Anfänge: Modifizierte Biopolymere

Ab dem 17. Jahrhundert begannen neugierige Naturforscher, die chemischen Eigenschaften von Biopolymeren gezielt zu verändern. Ziel war es, durch chemische Modifikationen neuartige und verbesserte Materialeigenschaften zu erzielen. Die dabei entwickelten ersten Kunststoffe, zu denen Materialien wie Gummi, Linoleum oder Celluloid gehören, markieren einen wichtigen Schritt in der Materialwissenschaft. Aufgrund ihrer Herkunft aus biogenen, also von lebenden Organismen stammenden, Rohstoffen werden diese frühen Kunststoffe auch als halb-synthetische Kunststoffe bezeichnet. Sie können somit als die ersten Biokunststoffe im modernen Sinne betrachtet werden, da sie auf natürlichen Rohstoffen basieren, auch wenn sie chemisch bearbeitet wurden.

Der Weg zu fossilen Kunststoffen und die Rückkehr zum Biobasierten

Parallel zur Entwicklung halb-synthetischer Materialien gewannen fossile Rohstoffe wie Erdöl und Erdgas zunehmend an Bedeutung. Dies führte schließlich zur Entwicklung der ersten rein fossil-basierten oder vollsynthetischen Kunststoffe. Interessanterweise beruht auch die Entstehung fossiler Rohstoffe auf der Umwandlung von Naturstoffen, die unter hohem Druck und hohen Temperaturen tief im Erdinneren über Millionen von Jahren zu einem energiereichen Gemisch aus Kohlenwasserstoffen umgewandelt wurden.

Ein prominentes Beispiel für einen fossil-basierten Kunststoff ist Polyethylen (PE), ein Material, das heute allgegenwärtig ist. Zur Herstellung von Polyethylen aus Erdöl oder Erdgas ist ein energieintensiver Prozess erforderlich, bei dem die fossilen Rohstoffe zunächst zu Ethylen aufgespalten werden. Anschließend wird dieses Ethylen mithilfe von Katalysatoren durch den Prozess der Polymerisation zu langen Ketten von Polyethylenmolekülen verbunden.

Biobasiert, aber identisch: Drop-In Biokunststoffe

Mit zunehmendem Umweltbewusstsein und dem Wunsch nach nachhaltigeren Alternativen rückte die Idee, Kunststoffe wieder aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen, in den Vordergrund. Ein Ansatz ist die Herstellung von sogenannten Drop-In-Biokunststoffen. Der Begriff „Drop-In“ bedeutet, dass der biobasierte Kunststoff chemisch identisch mit seinem fossil-basierten Gegenstück ist und somit ohne Anpassungen in bestehenden Verarbeitungsprozessen eingesetzt werden kann.

Die Herstellung von biobasiertem PE, einem klassischen Beispiel für einen Drop-In-Biokunststoff, ist dem Prozess zur Herstellung von fossil-basiertem PE weitgehend ähnlich. Der entscheidende Unterschied liegt in der Gewinnung des Grundbausteins, des Monomers Ethylen. Im Fall von biobasiertem PE wird Zucker oder Stärke als Rohstoff verwendet. Diese Kohlenhydrate werden mithilfe von Hefen einem Prozess unterzogen, der als Fermentation bezeichnet wird (vergleichbar mit dem Vergären von Zucker zur Alkoholherstellung). Dabei entsteht Ethanol. Dieses Ethanol wird anschließend durch einen chemischen Schritt, die Dehydratisierung (Wasserentzug), in Ethylen umgewandelt.

Sowohl das auf diese Weise gewonnene Ethylen als auch das daraus hergestellte Polyethylen sind chemisch und physikalisch mit den petrochemisch erzeugten Produkten identisch. Dies ermöglicht eine nahtlose Integration in bestehende Infrastrukturen.

Ähnlich wie bei Biokraftstoffen ist es bei der Produktion von biobasiertem PE möglich, Mischungen mit unterschiedlich hohem Anteil an biobasiertem Ethylen zu verwenden. Auch das fertige biobasierte PE kann problemlos mit konventionellem PE gemischt werden. Um den tatsächlichen Anteil biobasierten Kohlenstoffs in den Endprodukten bestimmen zu können, ist eine spezielle Analysemethode erforderlich: die Radiokarbonmethode. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchung kann der biobasierte Kohlenstoffgehalt im Endprodukt genau gemessen werden. Dies ermöglicht die Vergabe entsprechender Labels mit Prozentangaben, die den Verbrauchern transparente Informationen über den Anteil nachwachsender Rohstoffe im Produkt liefern.

Rein biobasierte Verfahren: Neue Wege der Herstellung

Neben den Drop-In-Lösungen gibt es auch Herstellungsverfahren, die gänzlich neue chemische Strukturen oder Prozesse nutzen, um Biokunststoffe direkt aus biogenen Rohstoffen zu erzeugen. Diese Verfahren nutzen die Eigenschaften der Biopolymere oder biologische Prozesse auf innovative Weise.

Chemisch/Physikalische Verfahren: Thermoplastische Stärke

Thermoplastische Stärke (TPS) ist ein Beispiel für einen Biokunststoff, der durch eine chemisch-physikalische Umwandlung von Stärke hergestellt wird. Bei diesem Verfahren werden Stärkekörner in einem Extruder verarbeitet. Unter Einwirkung von hohen Temperaturen und Scherkräften, die mechanisch auf das Material einwirken, wird die kristalline Struktur der Stärke zerstört – sie wird thermomechanisch destrukturiert. Anschließend wird das Material extrudiert, also durch eine Form gepresst, um die gewünschte Gestalt zu erhalten. Bei diesem Prozess kommen oft Hilfsstoffe wie Wasser und Glycerin zum Einsatz, die als Weichmacher wirken und die thermoplastischen Eigenschaften der Stärke verbessern.

Reine TPS kann bestimmte Einschränkungen in ihren Materialeigenschaften haben. Um ein breiteres Spektrum an Eigenschaften zu erreichen, werden oft Mischungen mit anderen Kunststoffen hergestellt. Diese sogenannten Stärke-Blends kombinieren die Vorteile der Stärke mit den Eigenschaften anderer Polymere und können so für vielfältigere Anwendungen nutzbar gemacht werden.

Biotechnologische Verfahren: PHB aus Bakterien

Ein faszinierender Ansatz zur Herstellung von Biokunststoffen nutzt die Fähigkeiten von Mikroorganismen. Bei biotechnologischen Herstellungsverfahren werden die gewünschten Biokunststoffe direkt von speziellen Bakterienstämmen als Speicherstoffe in ihren Zellen gebildet. Die Mikroorganismen werden dabei mit biogenen Rohstoffen wie Zucker oder (verzuckerter) Stärke gefüttert. Diese Rohstoffe dienen den Bakterien als Nahrung und Energiequelle.

Auch hier spielt die Fermentation eine zentrale Rolle, bei der die Mikroorganismen die Rohstoffe verstoffwechseln. Der wesentliche Unterschied zu anderen Verfahren ist, dass die Polymerisation, also der Aufbau der langen Polymerketten, direkt im Inneren der Mikroorganismen stattfindet. Die Bakterien produzieren und speichern den Biokunststoff, beispielsweise Polyhydroxybutyrat (PHB), in Form von Granulaten in ihren Zellen.

Nachdem die Bakterien den Biokunststoff in ausreichender Menge produziert haben, werden die Mikroorganismen in einem weiteren Schritt aufgelöst und abgetrennt. So kann das gewünschte Endprodukt, der Biokunststoff PHB, extrahiert und aufgereinigt werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Produktion von Biokunststoffen auf eine Weise, die direkt von natürlichen Speicherprozessen in Zellen inspiriert ist.

Chemisch Neuartige Verfahren: Polymilchsäure (PLA)

Ein weiteres Beispiel für ein rein biobasiertes Verfahren ist die Herstellung von Polymilchsäure (PLA). Bei diesem Herstellungsverfahren werden ebenfalls biogene Rohstoffe wie Zucker oder Stärke als Ausgangsmaterialien verwendet. Zunächst werden diese Rohstoffe mithilfe von Mikroorganismen durch Fermentation in Milchsäure umgewandelt. Dieser Fermentationsschritt ist ein bekanntes Verfahren, das beispielsweise auch bei der Herstellung von Sauerkraut oder Joghurt zum Einsatz kommt.

Die entstandene Milchsäure dient dann als Grundstoff für eine Reihe von nachfolgenden chemischen Prozessschritten. Durch Polymerisation der Milchsäuremoleküle wird schließlich Polymilchsäure gebildet. PLA ist ein vielseitiger Biokunststoff, der aufgrund seiner Eigenschaften und der relativ effizienten Herstellbarkeit zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Vergleich der Herstellungsverfahren

Die Vielfalt der Herstellungsverfahren für Biokunststoffe zeigt die unterschiedlichen Ansätze, nachwachsende Rohstoffe für die Kunststoffproduktion nutzbar zu machen. Von der einfachen Modifikation natürlicher Polymere über die Nutzung bestehender Kunststoffprozesse mit biobasierten Grundstoffen bis hin zu gänzlich neuen biotechnologischen und chemischen Routen – jeder Prozess hat seine Besonderheiten.

Häufig gestellte Fragen

Wie stellt man Biokunststoff her?

Die Herstellung von Biokunststoffen ist vielfältig und basiert auf verschiedenen Verfahren, die nachwachsende Rohstoffe nutzen. Dazu gehören die chemische Modifikation natürlicher Biopolymere, die Nutzung von biobasierten Grundbausteinen in bestehenden Polymerisationsprozessen (Drop-In-Verfahren wie bei biobasiertem PE), chemisch-physikalische Umwandlungen wie bei Thermoplastischer Stärke (TPS), biotechnologische Verfahren, bei denen Mikroorganismen den Kunststoff direkt produzieren (wie bei PHB), sowie chemisch neuartige Routen, die biobasierte Zwischenprodukte wie Milchsäure nutzen (wie bei PLA). Der genaue Prozess hängt stark vom gewünschten Endprodukt ab.

Wo wird Biokunststoff verwendet?

Die bereitgestellten Informationen konzentrieren sich auf die Herstellungsverfahren von Biokunststoffen und beschreiben die verschiedenen Arten, die produziert werden können, wie biobasiertes PE, Thermoplastische Stärke (TPS), Polyhydroxybutyrat (PHB) und Polymilchsäure (PLA). Die spezifischen Anwendungen für diese Materialien sind vielfältig und hängen von ihren individuellen Eigenschaften ab. Während die vorliegende Beschreibung keine konkreten Verwendungsbeispiele nennt, weisen die genannten Materialtypen (wie TPS-Blends mit „größerem Eigenschaftsspektrum“) darauf hin, dass Biokunststoffe für eine breite Palette von Anwendungen entwickelt werden, die von Verpackungen über Fasern bis hin zu technischen Bauteilen reichen können, je nach den durch das Herstellungsverfahren erzielten Eigenschaften.

Fazit

Die Herstellung von Biokunststoffen ist ein spannendes Feld, das die Inspiration aus der Natur mit moderner Chemie und Biotechnologie verbindet. Von den ersten halb-synthetischen Materialien bis hin zu komplexen biotechnologischen Prozessen zeigt die Entwicklung, wie vielseitig nachwachsende Rohstoffe eingesetzt werden können. Die verschiedenen Herstellungsverfahren – sei es das Drop-In-Verfahren für biobasiertes PE, die thermomechanische Verarbeitung von Stärke, die direkte Produktion durch Mikroorganismen oder die chemische Umwandlung von Milchsäure – eröffnen vielfältige Möglichkeiten für die Entwicklung nachhaltiger Materialien. Diese Prozesse sind entscheidend für die Schaffung von Alternativen zu fossil-basierten Kunststoffen und tragen zur Weiterentwicklung einer biobasierten Wirtschaft bei.

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