Die Biopolymere sind einsatzbereit

Der Kongress „Biopolymer Processing & Moulding“ 2024 wurde in diesem Jahr erstmals mit einer Vorabendveranstaltung in der Georg-Friedrich-Händel-Halle in Halle (Saale) eröffnet. Peter Putsch, Vorstand Polykum und Initiator des Kongresses sowie des Biopolymer Innovation Award, betonte in seiner Begrüßung, dass es sich immer mehr herauskristallisiert, dass die Biopolymere eine gewisse Wichtigkeit einnehmen. „Ein Leben ohne Kunststoffe ist nicht mehr möglich und die Polymere werden nun nicht mehr ausschließlich fossil hergestellt“, so Putsch weiter. „Es ist und war ein harter Kampf, die Leute für die Biopolymere zu faszinieren, aber es gelingt immer besser.“ Die Biopolymere sind laut Putsch ein Megatrend, der unter dem Radar der Öffentlichkeit erfolgt und unterschätzt wird. Deshalb sei die Förderlandschaft auch noch nicht so aufgestellt, wie es sich die Unternehmen wünschen. Anderseits können so die Entscheidungen aus freien Stücken getroffen werden und alle Akteure unbeeinflusst auf diesem Gebiet arbeiten. Die Biopolymere, die Polykum im Blick hat, sind bioabbaubar, reichern sich nicht in der Umwelt an und es entsteht bei der Umsetzung kein Mikroplastik. „Früher oder später entscheidet der Verbraucher, welche Produkte er bevorzugt“, so Putsch weiter. Außerdem sieht er die pflanzenbasierten Polymere als wichtigen Teil der Bioökonomie. Deshalb plant Polykum eine Gruppe zu gründen, die sich ausschließlich mit Biopolymeren befasst und ist für alle Interessensbekundungen aus der Region, national sowie international dankbar.

Vision des Vereins sei, eine Biopolymeranlage in der Region zu etablieren. Die Bevölkerung ist chemieaffin, Chemieparks seien vorhanden, die sachsen-anhaltinische Regierung wirtschaftsfreundlich und Schkopau als Standort geeignet. Außerdem wurde im gerade abgeschlossenen Projekt Rubio (Regionales unternehmerisches Bündnis zum Aufbau von Wertschöpfungsketten für technische Biokunststoffe in Mitteldeutschland) gezeigt, dass die Region die Wertschöpfungskette verwirklichen kann. Jedoch ist derzeit nicht die Materialmenge für die vielfältigen Produktideen verfügbar. In anderen Regionen der Welt stehen bereits Anlagen mit deutscher Technik, sodass Rohmaterialien eingeführt, hier veredelt und zu Produkten verarbeitet werden können. Putsch geht davon aus, dass ein gesicherter Absatz von 5.000 bis 6.000 Jahrestonnen Biopolymere notwendig ist, um solch eine Anlage bauen und wirtschaftlich betreiben zu können.

Staatssekretär Dr. Jürgen Uhde wies in seinem Grußwort darauf hin, dass die Verbindung von Wirtschaft und Wissenschaft ein hohes Gut ist. „Wir haben als Bundesland die Bioökonomie als Leitmarkt, weil wir versuchen, dort aus europäischen Mitteln Forschungsprojekte zu kreieren.“ Der Strukturwandel im mitteldeutschen Revier werde aus der Staatskanzlei heraus organisiert und Netzwerke geschaffen. „Die europäischen Rahmenbedingungen müssen stimmen, um Projekte wie die Biopolymeranlage umzusetzen.“ Uhde sieht hierfür UPM als Netzwerkpartner von Polykum. Der Staatssekretär gab dem Verein zum Abschluss den kleinen Tipp, das Alleinstellungsmerkmal des Netzwerks deutlich herauszuarbeiten, um die notwendigen Fördermittel zu generieren.

In seiner Videobotschaft betonte Thomas Kalinsky, Staatssekretär im Landtag in Dresden, dass die Biopolymere ein Teil der Lösung und nicht Teil des Problems seien. „Es steckt viel Wachstumspotential in der Branche.“ Mark Lange, Geschäftsführer Stadtmarketing Halle, präsentierte die Pläne sowie die Intention hinter dem „Zukunftszentrum für Deutsche Einheit und Europäische Transformation“ das bis 2029 in Halle entstehen wird.  

Prof. Markus Krabbes, Rektor Hochschule Merseburg, ging auf die Tradition und Zukunft der Kunststoffindustrie in Mitteldeutschland ein. Die zahlreichen Netzwerke und der Mitteldeutsche Kunststofftag seien einige Beispiele hierfür. Außerdem ist sich Krabbes sicher, dass sich die Innovationsbremse der letzten Jahre lösen wird, damit die Strukturwandelprozesse erfolgen können. Hier ist auch die Politik gefragt. Sie kann durchaus an ihren Zielen festhalten, jedoch sollten die Ausführungsprozesse und die Gestaltung nach Ansicht von Krabbes hinterfragt werden. Der Hochschulstandort Merseburg steht für den Wandel der Carbo- zur Petrochemie und künftig für die grüne Chemie.

Der Arbeitsschwerpunkt von Dr. Joachim Schulze, Vorsitzender Bio-Economy e.V., liegt seit dem Jahr 2006 auf Biopolymeren. „Ich hatte mir nach 18 Jahren mehr erhofft. Jedoch haben auch die Polyolefine 20 bis 30 Jahre benötigt, um im Markt anzukommen.“ Die Entwicklung beziehungsweise Etablierung der Biopolymere hat mehrfach Rückschläge erlitten: 2008 durch die Finanzkrise, 2014 fiel der Erdölpreis und fossilbasierte Polyester und Polyolefine waren so günstig, dass Biopolymere finanziell keine Chance hatten. „Wir haben immer einen Kampf bergauf geführt und führen ihn eigentlich immer noch.“ Denn die politischen Rahmenbedingungen in der EU seien zum Teil kontraproduktiv, denn mit den kleinen Mengen an Biopolymeren, die derzeit im Markt sind, kann eine Kreislauffähigkeit nicht aufgezeigt werden. Außerdem basieren die Biopolymere auf Rohstoffen wie Zucker, Stärke oder ähnlichem, sodass nachgewiesen werden muss, dass diese nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion stehen. Weiterhin ist der Preis von 1G-Zucker aufgrund der Krisen in der Welt von 350 €/kg auf 750 €/kg gestiegen, der Preis von 2G-Zucker ist noch etwas höher. Deshalb stellte Schulze die Frage in den Raum „Wie wollen wir damit konkurrenzfähig werden?“ Er sieht eine Möglichkeit darin, den Bedarf an Biokunststoffen durch die großen Brands zu wecken, wodurch der Verbraucher „involviert“ wird, ohne dass sich der Materialpreis deutlich im Produktpreis niederschlägt. Außerdem muss es möglich werden, dass die Biopolymere nach ihren Eigenschaften für die Anwendung ausgewählt werden können – die Compoundierung und die KI machen es möglich. So glaubt Schulze auch nach 18 Jahren daran, dass Biopolymere eine Zukunft haben.

„Modern denken“ ist der Leitsatz des Bundeslandes Sachsen-Anhalt, so Reiner Haselhoff, Premierminister Sachsen-Anhalt, in seinem virtuellen Grußwort an die Kongressteilnehmer. Zahlreiche Forschungseinrichtungen sind in dem Bundesland ansässig, sodass Halle der geeignete Ort für diesen Kongress sei. Die Teilnehmer des sechsten Biopolymer Kongresses wurden vom Kongressgründer und Polykum Vorstand Peter Putsch, begrüßt. Er hatte eine großartige Neuigkeit mitgebracht: Just an diesem Morgen hatte er erfahren, dass in Kürze in Indien Zahnbürsten gefertigt werden, die vollständig – auch die Borsten – aus bioabbaubaren Kunststoffen bestehen. Das stimmt ihn nach 15 Jahren in der Entwicklung dieser Werkstoffklasse sehr zuversichtlich, dass in Kürze immer mehr fossilbasierte Produkte durch Biopolymere ersetzt werden und bei den nächsten Kongressen viele weitere Entwicklungen mit einem Biopolymer Innovation Award ausgezeichnet werden können. „Wir sind in der Biopolymerindustrie keine Wettbewerber, sondern wir verfolgen alle dasselbe Ziel – die Plastikverschmutzung in der Umwelt zu beenden.“

Putsch sprach zu den geladenen Gästen vor Ort und über 400 internationalen Teilnehmern in rund 40 Ländern. Eine große Anzahl der virtuellen Zuschauer stammte aus Australien, dem diesjährigen Partnerland. Dort wird in zahlreichen Projekten an Biopolymeren geforscht, wie im ersten Vortragsblock zu erfahren war.

Queensland ist offen für die Fortführung der Zusammenarbeit mit Deutschland und den Bundesländern. Aktuell bestehen Projekte, die durch das BMBF gefördert, sowie von Bayern unterstützt werden und mit Hessen bahnt sich eine Zusammenarbeit an, berichtete Henriette Pook, Forschungsdirektorin von Trade and Invest Queensland (TIQ).

Bronwyn Laycook, ARC Industrial Transformation and Training Centre on Bioplastics and Biocomposites an der Universität Queensland, stellte die Forschung zu verschiedenen Aspekten vor, wie etwa zum Abbau von Biokunststoffen oder zu deren Recycling. Untersucht werden stärkebasierte Materialien ebenso wie PHA-Blockcopolymere oder der Einfluss von Additiven auf die Abbaubarkeit der Biokunststoffe. Außerdem laufen verschiedene Studien, unter anderem zur Abbaubarkeit in Echtzeit.

Die Arbeiten zur Circular Bioeconomy in Neuseeland stellte Alec Foster vom staatlichen Forschungsinstitut Scion vor. Seine Arbeit zielt darauf ab, die Industrie darin zu unterstützen, die Klimaziele zu erreichen und weiterhin Produkte wie Pflanztöpfe, Weinclipse oder auch Holzcomposite aus Kunststoff exportieren zu können. Außerdem wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Nylon aus CO₂ herzustellen. Die Technologie existiert, ist skalierbar und der erste Schuh wurde bereits aus diesem CO₂-basierten Werkstoff hergestellt. Die Skalierung des Verfahrens sei geplant, denn derzeit können nur geringe Stückzahlen in einem Pilotprozess hergestellt werden. Die Biopolymere sollen in Neuseeland zu einem neuen Industriezweig heranwachsen.

Die Vision des Biotechnologieunternehmens Uluu aus dem australischen Watermans Bay wurde von Michael Kingsbury präsentiert. Das Unternehmen nutzt in Indonesien angebauten Seetang und Algen, um daraus beispielsweise bioabbaubare Verpackungen oder Textilfasern herzustellen und auf diese Weise fossile Kunststoffe zu ersetzen. Algen sind gut für den Planeten, da sie viel CO₂ binden (5 kg CO₂eq/kg Granulat) und einfach zu vermehren sind. Aus dem durch Hydrolyse und Fermentation gewonnenen Polyhydroxyalkanoat (PHA) entsteht ein Biopolyester, der kostengünstig zu gewinnen und einfach zu kompostieren ist. Die Forscher betreiben derzeit eine Testanlage in Australien mit 2 kg Ausbringung in der Woche. Für 2025 ist der Bau einer Demoanlage in Indonsien und 2027 einer Serienanlage dort geplant. Die Produktion wird in Indonesien aufgebaut werden, da dort der Seetang angebaut wird.

Mirko Rennert, Geschäftsführer Twins Crew, erläuterte zu Beginn seines Vortrags, dass auch Biokunststoffe immer ein Gemisch aus Polymer und Additive(n) sind. Im Vergleich zu Polyolefinen sorgen die Sauerstoffgruppen in der Biopolymerkette für Polarität in der Kette und für Funktionalität an der Bauteiloberfläche. Wo Licht ist, ist auch Schatten. Denn die in der Kette vorhandene Doppelbindung ist anfällig beispielsweise für Hydrolyse und enzymatischen Abbau, weshalb Antioxidantien zugesetzt werden müssen. „Aktuell sind weniger als 1 % aller verarbeiteten Kunststoffe biobasiert. Bei den Additiven sieht es ähnlich aus“, berichtet Rennert. Jedoch ist es bei den abbaubaren Kunststoffen sehr wichtig, welche Additive zugegeben werden. Sie müssen ebenfalls bioabbaubar sein, damit sie beim Zersetzen des Produkts nicht als Mikroplastik in der Umwelt verbleiben. So sorgen beispielsweise 3 bis 5 % Kaffeereststoff für eine ausreichende Antioxidationswirkung im Biopolymer.

Als Additive bieten sich biogene Nebenprodukte aus der Natur an, denn die Pflanzen besitzen Schutzmechanismen, um in der Natur bestehen zu können. Wichtig ist es den Zucker aus den Pflanzenresten herauszuholen, da dieser bei der Aufbereitung zum Additiv jedoch spätestens bei der Kunststoffverarbeitung „verbrennen“ und die gewünschte Farbe nicht erzielt werden würde. Das Feinmahlen der Naturstoffe und deren Feinsiebung sind ebenfalls sehr wichtig. Schwierig gestaltet sich die Tatsache, dass der Farbfächer der Pflanzenfarben nicht mit dem der am meisten eingesetzten fossilbasierten Farben übereinstimmt. Beim Erarbeiten von natürlichen Farbadditiven spielen deren thermische Stabilität, Dichte sowie die Gesundheitsunbedenklichkeit eine große Rolle. Die Zugabe der Farbadditive erfolgt von 1 bis 40 Gew.-%, abhängig von der Dichte des Farbadditives und dem Preis. „Mutter Erde hat mit viel Energie diese Substanzen polymerisiert, wir müssen diese nur erschließen und einsetzen“, schloss Rennert seine Ausführungen.

Die Forschung zur Mikrocomposite Technologie stellte Jörg Dörrstein von Biofibre vor, dem Unternehmen, das den ersten Biopolymer Innovation Award gewann. Derzeit werde an Mikrofasern mit 10 µm Durchmesser geforscht. Die Zellulosefasern können Füllstoff (L/D <10) und Verstärkungsstoff (L/D >10) sein und die Bauteileigenschaften hinsichtlich Mechanik, Optik und Abbaubarkeit verändern, um diese an das Eigenschaftsprofil von PE, PP, PET, PA anzunähern. Die Abbaubarkeit der Produkte soll unter natürlichen Bedingungen möglich sein, aber auch über die Lebensdauer der Produkte deren Funktion unverändert lassen. Entwicklungsziel sei ein Masterbatch mit 40 % Fasern, das mit einem Anteil von 1 bis 5 % in Biopolymere via Direktcompoundierung eingearbeitet werden kann.

„Derzeit erleben die Biopolymere einen Hype“, so Timo Günzel von Bole Intelligent Machinery. „Jedoch schaffen es nur wenige Produkte in den Markt, da die Werkstoffe teuer sind.“ Der CTO des Maschinenbauers ist überzeugt, dass die Spritzgussmaschine auf das Verarbeiten von Biopolymeren angepasst werden muss. Die Verarbeitungstemperaturen liegen mit rund 200 °C unter denen von Thermoplasten. Weiterhin sollte die Schneckengeometrie auf die scherempfindlichen Werkstoffe angepasst werden und die Oberflächenbeschichtung der Schnecke auf deren höhere Korosivität. Dadurch, dass der Schneckenantrieb kleiner ausgeführt werden kann, benötigt die Spritzgießmaschine weniger Energie. Die spezifischen Dimensionen dieser Maschinen und der Werkzeuge müssen noch erarbeitet werden, um die Bauteile kostengünstiger und mit geringerem CO₂-Fußabdruck produzieren zu können. Gleiches gilt für die Werkzeuge.

Der Kunststoffverbrauch wird in den kommenden Jahren weiter zunehmen und der Kunststoff muss im Kreislauf gehalten werden. Biokunststoffe werden aus biobasierten Quellen hergestellt und PBS könnte PE in zahlreichen Anwendungen beispielsweise in der Verpackungsindustrie ersetzen. „Für diesen Einsatz muss es aber selbst im Kreislauf gehalten werden können“, so Dr. Patrick Hirsch, Fraunhofer IMWS. Außerdem fordern EU-Regularien den Einsatz von Rezyklaten. Für PBS muss der Recyclingkreislauf neu aufgebaut, das heißt die Sortiertechnologien entwickelt und die Technologie in den bestehenden Anlagen nachgerüstet werden. Im Projekt Rubio hat LLA Instruments gezeigt, dass mit entsprechenden NIR-Sensoren die Sortierung von PBS möglich ist. Doch wie steht es um die weiteren Biopolymere? Talkum und Kreide könnten als Marker eingesetzt werden, somit erhält das IR-Spektrum unverwechselbare Peaks und ein Sortieren wäre auch hier möglich. Durch Kombination der Marker in unterschiedlichen Verhältnissen können spezifische Compounds geschaffen werden, sodass beispielsweise Brandowner „ihre“ Kunststoffe zurückerhalten könnten. Mit einem Doppelschneckenextruder wurden Biopolymerrezyklate hergestellt und deren mechanische Eigenschaften ermittelt. Die 50 % Rezyklatforderung kann mit PBS erfüllt werden. Der CO₂-Fußabdruck des Rezyklatcompounds liegt bei 60 % von PBS-Neuware. Hirsch sieht es jedoch als herausfordernd an, die geforderten Rezyklatanteile zu generieren, da derzeit nicht ausreichend biobasierte Produkte im Umlauf seien.

An das Vortragsprogramm schloss sich die Verleihung der Biopolymer Innovation Awards 2024 an. Jurymitglied Dr. Martin Bussmann erläuterte kurz den Hintergrund des Preises. Er wurde ins Leben gerufen, um Produkten und Technologien aus der Biopolymerbranche die Markteinführung zu erleichtern. Der Preis soll ein „Booster“ für die Preisträger sein. Die Einreichungen 2024 waren Produkte, Prozesse, Additive und Halbzeuge. Bussmann hielt die Laudationen für die Preisträger und überreichte mit Peter Putsch die Preise.