Kunststoff hat keinen unbedingt guten Ruf – zumindest aus ökologischer Sicht. Mit alternativen Ausgangsmaterialien für Kunststoffe lassen sich darin gebundene Ressourcen jedoch ersetzen. Dabei handelt es sich zumeist um erneuerbare, pflanzenbasierte Rohstoffe. Diese haben den Vorteil eines geringeren CO2-Fußabdrucks und sind ihren konventionellen Pendants qualitativ ebenbürtig. Biokunststoffe können zum Einen biobasiert aber auch biologisch abbaubar im Sinne einer Kompostierbarkeit unter industrietechnischen Bedingungen sein.
Biokunststoffe sind also nicht gleich Bio und unterscheiden sich auch untereinander. In unserem Überblick wollen wir mit Mythen und Sagen in diesem Bereich aufräumen und Ihnen einen Überblick über aktuelle Entwicklungen, Projekte aber auch Trends liefern.
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- Was versteht man unter Biokunststoffe?
- Wann ist ein Material biobasiert?
- Wann ist ein Biopolymer biologisch abbaubar?
- In welche Gruppen lassen sich Biokunststoffe einteilen?
- Welche Mengen an Biokunststoffen werden aktuell und in Zukunft produziert?
- Stehen Anbauflächen für Rohstoffe zur Produktion von Biokunststoffen und Lebensmittel in Konkurrenz zueinander?
- Was versteht man unter Biomasse?
- Was ist eine Drop-In-Lösung?
- Was sind erneuerbare Rohstoffe?
- Was ist Cradle to Cradle? Was hat Cradle to Cradle mit Biokunststoffen zu tun?
- Sind Biokunststoffe ökologisch sinnvoll?
- An welchen Projekten wird im Umfeld der Biokunststoffe geforscht?
- Wo werden Biokunststoffe eingesetzt?
- Wo Naturfaserhalbzeugen aus Hanf- und/oder Flachsfasern eingesetzt werden
- Wie Holz und Streu als Füllstoff für Verpackungen dienen
- Wie Mais die Basis für Partikelschaumformteile bildet
- Wo Gras nicht nur in der Biotonne landet
- Lassen sich Schnuller aus biobasiertem Kunststoff herstellen?
- Warum sich Bastfasern für Leichtbauanwendungen eignen
- Biopolymere in der Textilindustrie im Einsatz
- Welcher Award prämiert Entwicklungen im Bereich der Biokunststoffe?
Im Folgenden wollen wir zunächst auf Begrifflichkeiten im Kontext der Biokunstoffe eingehen, um dann Beispiele aus Forschung und Praxis aufzuzeigen:
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Was versteht man unter Biokunststoffe?
Biokunststoffe bestehen aus einer ganzen Familie von Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Ein Kunststoff wird als Biokunststoff, Biopolymer oder auch Bioplastik definiert, wenn er biobasiert, biologisch abbaubar ist oder beide Eigenschaften vereint.
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Wann ist ein Material biobasiert?
Ein Material oder Produkt ist dann biobasiert, wenn es (teilweise) aus Biomasse, also Pflanzen, gewonnen wird. Die dabei verwendete Biomasse stammt beispielsweise aus Mais, Zuckerrohr oder Holz.
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Wann ist ein Biopolymer biologisch abbaubar?
Der biologische Abbau ist ein biochemischer Prozess, bei dem Mikroorganismen Materialien in Wasser, Kohlendioxid und Biomasse umwandeln. Dieser Prozess hängt von den Umgebungsbedingungen, wie Temperatur oder Feuchtigkeit, und vom Material oder der Anwendung selbst ab.
Oftmals kommt hier noch die Kompostierbarkeit ins Spiel. Dabei handelt es sich um die Eigenschaft biologisch abbaubar unter industriellen oder häuslichen Kompostierungsbedingungen zu sein.
Doch die Eigenschaft biologisch abbaubar zu sein, ist nicht abhängig von der Ressourcenbasis eines Materials, sondern ist mit seiner chemischen Struktur verbunden. Das heißt: es gibt vollständig biobasierte Kunststoffe, die nicht biologisch abbaubar sind, es können aber auch Kunststoffe auf fossiler Basis, unter bestimmten Umweltbedingungen, biologisch abbaubar sein.
In welche Gruppen lassen sich Biokunststoffe einteilen?
Biokunststoffe lassen sich in die folgenden Gruppen gliedern:
- Nicht biologisch abbaubare Kunststoffe aus petrochemischen Rohstoffen. Darunter werden klassische, konventionelle Kunststoffen verstanden.
- Biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Das sind Kunststoffe, die aus biomassehaltigem Ausgangsmaterial hergestellt wurden und biologischen abbaubar sind.
- Biologisch abbaubare Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen. Das sind Kunststoffe, die biologisch abgebaut werden können, aber auf fossilen Rohstoffen aufbauen.
- Nicht biologisch abbaubare Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen. Das sind Kunststoffe, die zwar aus Biomasse produziert wurden, aber nicht biologisch abbaubar sind. [1]
Welche Mengen an Biokunststoffen werden aktuell und in Zukunft produziert?
Das Produktionsaufkommen von Biokunststoffen im Vergleich zu vorwiegend fossil-basierenden Kunststoffen ist noch immer überschaubar. Für Letztere lag die produzierte Menge – allein in Deutschland – laut der Studie „Stoffstrombild Kunststoffe in Deutschland 2021“ bei rund 18,7 Mio. t. Die für Kunststoffwerkstoffe relevante Produktion lag bei 10,7 Mio. t und somit etwa 4 % über dem Niveau des Jahres 2019. [2]
Und nun ein Blick auf die Produktionskapazitäten von Biokunststoffen. Diese lagen im Jahr 2022 bei rund 2,23 Mio. t. Doch gemeinsame Marktdaten von European Bioplastics und dem Nova-Institut prognostizieren einen Anstieg auf etwa 6,3 Mio. t für 2027. Die Zahlen beziehen sich dabei auf die globalen Kapazitäten. Weitere Daten hierzu können Sie auch in diesem Artikel einsehen.
Christian Patermann gilt als einer der Wegbereiter der Bioökonomie in Europa. Von 1996 bis 2007 war er Programmdirektor für Biotechnologie, Landwirtschaft und Nahrungsmittel in der Europäischen Gemeinschaft in Brüssel und von 2009 bis 2012 Gründungsmitglied im ersten Bioökonomierat Deutschlands. Im Interview mit dem PLASTVERARBEITER gewährt er Einblicke in die Welt der Biokunststoffe.
Biopolymere werden aus verschiedenen Rohstoffen hergestellt. Welche Quelle(n) für deren Gewinnung werden sich durchsetzen?
Hier ist es noch zu früh, eine belastbare Aussage zu treffen: es sollte zu einem Wettbewerb verschiedener Ausgangsstoffe vor allem in pflanzlicher Hinsicht kommen. Aber in jedem Fall sollte auch Kohlenstoff als Rohstoff nicht vergessen werden. In den sogenannten "Bold Goals for Harnessing Biotechnology and Biomanufactoring for a sustainable American Bioeconomy", sozusagen der strategisch-wissenschaftlichen Vision der neuen US-Bioökonomie vom Frühjahr dieses Jahres, wird angestrebt, nachhaltige Wege zu beschreiten, die es ermöglichen, biobasierte Ausgangsstoffe (biobased feedstocks) in 20 Jahren so in "recycable-by-design polymers" zu konvertieren, dass mehr als 90 % aller heute benutzten Plastik und anderer kommerzieller Polymere in großkommerziellen Maßstab ersetzt werden – und zwar technologieoffen. Ein solches ambitioniertes Ziel hat sich bisher keine andere Bioökonomiestrategie auf der Welt gesetzt.
Stehen Anbauflächen für Rohstoffe zur Produktion von Biokunststoffen und Lebensmittel in Konkurrenz zueinander?
Die Produktion der am weitesten verbreiteten Biokunststoffe basiert auf stärke- und zuckerhaltigen Kulturpflanzen wie Kartoffeln, Mais, Weizen, Zuckerrüben und Zuckerrohr. Darüber hinaus gibt es einige Biokunststoffe, die aus Ölsaaten wie Rizinussamen, Leinsamen oder Soja hergestellt werden. Da für den Anbau dieser Pflanzen Ackerland benötigt wird, besteht die Sorge, dass die Herstellung von Biokunststoffen mit unserer Nahrungsmittelproduktion in Konkurrenz steht. Um zu untersuchen, ob diese Bedenken berechtigt sind, schauen wir uns den Flächenbedarf genauer an.
Weltweit stehen etwa 13,4 Mrd. Hektar Landfläche zur Verfügung. Derzeit werden 4,7 Mrd. Hektar, also gut ein Drittel der verfügbaren Fläche, für landwirtschaftliche Zwecke genutzt. Von dieser landwirtschaftlich genutzten Fläche sind zwei Drittel Weideland (3,2 Mrd. Hektar, was 68 % entspricht) und ein Drittel Ackerland (1,5 Mrd. Hektar, also 32 %).
Rund 90 % wird von den Ackerflächen für Produktion von Lebensmitteln und Futtermitteln verwendet. Darüber hinaus werden jedoch auch industrielle Rohstoffe angebaut, wie zum Beispiel Baumwolle für die Textilindustrie oder Energiepflanzen für die Kraftstoffproduktion. Und natürlich auch Pflanzen für die Herstellung von Biokunststoffen. Derzeit (Stand 2022) werden dafür rund 1,2 Mio. Hektar benötigt, was einen Prozentsatz von 0,025 % im Vergleich zur globalen landwirtschaftlich genutzten Fläche entspricht. Der Flächenverbrauch von Biokunststoffen ist also im Vergleich zur Gesamtfläche der landwirtschaftlichen Nutzung verschwindend gering. Die Zahlen zeigen, dass die Landnutzung für Biokunststoffe im Vergleich zu anderen landwirtschaftlichen Aktivitäten vernachlässigbar ist.
Was versteht man unter Biomasse?
Biomasse ist der biologisch abbaubare Teil von Erzeugnissen, Abfällen und Reststoffen der Landwirtschaft mit biologischem Ursprung (einschließlich tierischer und pflanzlicher Stoffe), der Forstwirtschaft und damit verbundener Wirtschaftszweige einschließlich der Fischerei und der Aquakultur. Auch der biologisch abbaubare Teil von Abfällen aus Industrie und Haushalten zählt nach dieser Definition zur Biomasse. Das geht aus Quellen der Erneuerbare-Energien-Richtlinie der Europäischen Union hervor. [3]
Was also fällt damit unter den Begriff "Biomasse"?
- Pflanzen und Pflanzenbestandteile
- die aus Pflanzen oder Pflanzenbestandteilen hergestellten Energieträger
- Abfälle und Nebenprodukte (pflanzlicher und tierischer Herkunft) aus Land-, Forst- und Fischereiwirtschaft und nachgelagerten Verarbeitungsbetrieben
- Restholz aus Betrieben der Holzbe- und -verarbeitung sowie der Holzwerkstoffindustrie
- Landschaftspflegegut und Treibsel aus Gewässerpflege, Uferpflege und -reinhaltung
- Altholz/Gebrauchtholz und Bioabfälle
Was ist keine Biomasse?
Nicht als Biomasse gelten biogene fossile Brennstoffe wie Erdöl, Kohle, Erdgas und Torf.
Was ist eine Drop-In-Lösung?
Unter Drop-In-Lösungen werden insbesondere biobasierten Kunststoffe bezeichnet, deren chemische Struktur mit denen herkömmlicher petrobasierter Kunststoffe identisch ist: Darunter fallen beispielsweise Bio-PE (Polyethylen) und Bio-PET (Polyethylenterephthalat). Diese werden genau wie ihre erdölbasierten Pedanten verarbeitet. [4]
Was sind erneuerbare Rohstoffe?
Ein erneuerbarer Rohstoff, auch bekannt als regenerativer Rohstoff, bezieht sich auf eine natürliche Substanz, die aus nachhaltigen Quellen stammt und durch fortlaufende Naturprozesse erneuert wird. Dies umfasst lebendige Ressourcen wie Tiere und Pflanzen sowie unbelebte Elemente wie Erde, Wasser und verschiedene Formen erneuerbarer Energie.
Zu den Erneuerbaren zählen natürliche beziehungsweise nachwachsende Rohstoffe wie Holz, Pflanzenöle, Zuckerrohr, Mais, Sonnenenergie und Windenergie. Diese Rohstoffe können als Alternative zu nicht-erneuerbaren Rohstoffen wie Kohle, Öl und Gas genutzt werden.
Warum es Alternativen zum fossilen Kohlenstoff braucht
Herr Verhoeven, Neste stellt erneuerbare Lösungen bei Rohstoffen für die Kunststoff- und Chemieindustrie her. Was sind erneuerbare (renewable) Rohstoffe?
Die Kunststoff- und Chemieindustrie steht vor dem großen Problem, dass sie sich - im Gegensatz zu vielen anderen Sektoren - so gut wie nicht dekarbonisieren lässt. Denn Kohlenstoff ist der zentrale Baustein für Kunststoffe und viele Chemikalien. Gleichzeitig wird der Kohlenstoff derzeit primär aus fossilen Quellen gewonnen. Das muss sich ändern. Es geht daher nicht um Dekarbonisierung, sondern um den Ausstieg aus fossilem Kohlenstoff. Dabei können erneuerbare Rohstoffe helfen, also solche, die auf Biomasse basieren. Wir nutzen dabei den natürlichen Kohlenstoffkreislauf: Beim Wachstum der Biomasse wird Kohlenstoff in Form von CO2 aus der Atmosphäre absorbiert. Das führt dazu, dass der CO2-Fußabdruck erneuerbarer Produkte deutlich geringer ist als der von fossilen Produkten. Der zweite große Vorteil: An den Produkten selbst ändert sich gar nichts. Sie können aus erneuerbaren Rohstoffen genau die gleichen Kunststoff- und Chemieprodukte herstellen wie aus fossilen Rohstoffen.
Aus welchen Quellen beziehen Sie die Abfälle, aus denen die erneuerbaren Rohstoffe hergestellt werden?
Für unsere erneuerbaren Produkte - dazu gehören neben Rohstoffen für die Kunststoff- und Chemieindustrie auch Kraftstoffe - setzen wir bei Neste auf eine Vielzahl von Ölen und Fetten. Dazu zählen etwa alte und bereits genutzte Pflanzenöle, plakativ also altes Frittenfett. Wir nutzen aber auch Abfälle und Reststoffe aus der Pflanzenöl- und Lebensmittelproduktion und verarbeiten diese zu hochwertigen und reinen Kohlenwasserstoffen. Letztlich entscheidet der Kunde, welche Ausgangsstoffe er bevorzugt. Beziehen tun wir diese weltweit. Dabei arbeiten wir mit verschiedenen Partnern zusammen, zudem hat Neste in der Vergangenheit auch einige Unternehmen akquiriert, die sich mit dem Einsammeln der Rohstoffe beschäftigen.
Wie wirkt sich deren Einsatz auf den CO2-Fußabdruck des daraus hergestellten Produktes aus?
Für unser erneuerbares Neste RE, ein Rohstoff für die Kunststoffindustrie, zeigt unser Life-Cycle-Assessment (LCA) eine Senkung der Treibhausgasemissionen von über 85 %, wenn Neste RE fossilen Rohstoff ersetzt. In unserer LCA-Studie haben wir uns auch ganz konkret das Beispiel Polypropylen angeschaut. Über den Lebenszyklus des Produkts sinken die Treibhausgasemissionen beim Einsatz von erneuerbarem Neste RE dann um über 80 Prozent - bei chemisch gleichem Polypropylen. Man kann also festhalten: Durch erneuerbare Rohstoffe lässt sich der CO2-Fußabdruck von Kunststoffen signifikant senken, ebenso wie der Bedarf an fossilen Alternativen. Das ist gut fürs Klima und gut für die Industrie, die damit ein Mittel zur Hand hat, die Transformation zu mehr Nachhaltigkeit sofort anzugehen - schließlich sind keine neuen Anlagen nötig, um diese erneuerbaren Rohstoffe einzusetzen.
Was ist Cradle to Cradle? Was hat Cradle to Cradle mit Biokunststoffen zu tun?
In den 1990-er Jahren entwickelten der deutsche Chemiker Michael Braungart und der amerikanische Architekt William McDonough das „Cradle to Cradle“-Modell einer Ökonomie ohne Abfälle. Kern des Konzepts bilden zwei sich ergänzende, geschlossene Kreisläufe: die Biosphäre und die Technosphäre. Was es damit auf sich hat, warum die Vision einer abfallfreien Welt längst mehr ist als nur Zukunftsmusik – und warum Biokunststoffe darin eine zentrale Rolle spielen, verrät Prof. Michael Braungart von der Leuphana Universität Lüneburg in einem exklusiven Interview mit dem PLASTVERARBEITER.
Sind Biokunststoffe ökologisch sinnvoll?
Die ökologische Sinnhaftigkeit von Biokunststoffen ist ein komplexes Thema und kann nicht eindeutig mit "ja" oder "nein" beantwortet werden. Biokunststoffe werden entweder vollständig oder teilweise aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt, im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen, die auf fossilen Kohlenstoffen basieren.
Was sind die Vorteile von Biokunststoffen?
Es gibt einige potenzielle Vorteile von Biokunststoffen aus ökologischer Sicht. Erstens können sie dazu beitragen, die Abhängigkeit von endlichen fossilen Rohstoffen zu verringern, da sie aus erneuerbaren Quellen wie Pflanzen oder Biomasse hergestellt werden können. Treibhausgasemissionen lassen sich so minimieren bzw. der CO2-Fußabdruck von Produkten reduzieren.
Zweitens können Biokunststoffe im Vergleich zu konventionellen Kunststoffen eine bessere Abbaubarkeit aufweisen. Einige Biokunststoffe sind biologisch abbaubar und können in geeigneten Umgebungen wie industriellen Kompostieranlagen abgebaut werden. Brabender beispielsweise hat zusammen mit der TU Dresden und der University of the Philippines daran geforscht, wie sich Meeresalgen als Rohstoff für einfache und nachhaltigere Verpackungen einsetzen lassen – etwa als Folien für Waschmittel- oder Spülmaschinentabs.
Ein weiteres Beispiel, wo auch international Biopolymere eingesetzt werden, kommt aus Brasilien. In Sao Paulo sind Produkte aus Einwegkunststoffen im gewerblichen Bereich verboten. Ein amerikanischer Hersteller von Biopolymeren will die Einwegprodukte wieder einführen und zwar aus einem bioabbaubarem Compound. Gelangen die Produkte aus Unachtsamkeit in die Natur, so werden diese nahezu innerhalb von 180 Tagen von Mikroben und Enzymen vollständig zu Wasser, Kohlendioxid und Biomasse abgebaut.
Was sind die Nachteile von Biokunststoffen?
Jedoch gibt es auch Herausforderungen und potenzielle Nachteile bei Biokunststoffen. Die Produktion von Biokunststoffen erfordert oft den Einsatz von landwirtschaftlichen Flächen, Wasser und Energie. Es besteht auch das Risiko der Konkurrenz zwischen der Nutzung von landwirtschaftlichen Flächen für die Nahrungsmittelproduktion und die Produktion von Biomasse für Biokunststoffe.
Darüber hinaus müssen biologisch abbaubare Biokunststoffe unter spezifischen Bedingungen abgebaut werden, was in vielen herkömmlichen Mülldeponien oder in der natürlichen Umwelt nicht stattfindet. An der Hochschule Coburg wird beispielsweise untersucht, wie sich biologisch abbaubare Kunststoffe von Mikroben abbauen lassen, was dabei passiert und wie sich das auf die Umwelt auswirkt. Thema der Forschung ist dabei landwirtschaftliche Mulchfolie aus dem Biopolymer PBSA (Polybutylensuccinat-Co-Adipat).
Wenn Biokunststoffe in Umgebungen entsorgt werden, in denen der biologische Abbau nicht stattfinden kann, können sie ähnlich wie herkömmliche Kunststoffe über einen langen Zeitraum in der Umwelt verbleiben und möglicherweise negative Auswirkungen haben. Eine Studie des Sonderforschungsbereichs 1357 „Mikroplastik“ an der Universität Bayreuth zeigt aber auch: Biologisch abbaubare Mikroplastik-Partikel in Böden können zu einem verstärkten Anstieg von CO2-Emissionen in die Erdatmosphäre führen. So wurden erstmals in systematischer Form die Auswirkungen eines herkömmlichen und eines bioabbaubaren Kunststoffs in unterschiedlichen Böden verglichen. Auch die Folgen für die mikrobielle Biomasse in den Böden, insbesondere für Bakterien und Pilze, wurden analysiert.
Insgesamt können Biokunststoffe unter bestimmten Bedingungen und bei richtiger Entsorgung ökologisch sinnvoll sein. Die nachhaltige Produktion und Verwendung von Biokunststoffen erfordert jedoch eine umfassende Betrachtung des gesamten Lebenszyklus, von der Rohstoffgewinnung über die Herstellung und Nutzung bis zur Entsorgung.
Zum vorherigen Abschnitt des Interviews
Herr Patermann, warum brauchen wir Biokunststoffe?
Dass Kunststoffe für unser tägliches Leben unverzichtbar sind, wird allmählich doch Allgemeingut: Die Vorteile liegen auf der Hand. Aber sie haben den Nachteil, dass sie bisher fast ausschließlich aus fossiler Quelle stammen und wir ihren Umgang bisher nicht beherrschen und unsere Welt damit vollstopfen. Die Folgen für die Umwelt und für das Klima sind auch bestens bekannt. Biokunststoffe können nun, da nicht aus fossilen Quellen, sondern biobasiert, aus biologischen Ressourcen , den CO2-Ausstoß minimieren oder eliminieren, sie können die Bioabbaubarkeit und die Wiederverwendbarkeit sehr fördern und unter Umständen sogar zu einer längeren Lebensdauer führen. Aber es gibt da noch viel zu tun.
Welche Rolle werden Biokunststoffe beim Weg in die Klimaneutralität einnehmen?
Da der fossile Ursprung ersetzt wird, werden der CO2-Fußabdruck verringert oder ganz eliminiert mit den bekannten positiven Folgen für die Klimaentwicklung.
An welchen Projekten wird im Umfeld der Biokunststoffe geforscht?
Biokunststoffe nehmen aktuell zwar nur einen geringen prozentualen Anteil an der Gesamtmenge der globalen Kunststoffproduktion ein, sie gewinnen nichtsdestotrotz stetig an Bedeutung. Biokunststoffen können einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck aufweisen als ihre fossilen Pendants. Insbesondere die Abhängigkeit fossiler Rohstoffe spielt bei der Forcierung neuer Anwendungsgebiete von Biokunststoffe eine nicht unerhebliche Rolle. Im industriellen Umfeld arbeiten und forschen eine Vielzahl an Unternehmen und Institutionen an Lösungen für verschiedenste Anwendungsgebiete.
So forscht beispielsweise das Fraunhofer Umsicht, Oberhausen, zusammen mit vier weiteren Partnern, im Verbundvorhaben Bio2Bottle an biobasierten und rezyklierbaren Kunststoffen für Flaschen, die sich für die Aufbewahrung von Reinigungsmitteln und landwirtschaftlichen Bodenhilfsstoffen eignen, hohe Standards erfüllen und gleichzeitig biologisch abbaubar und wiederverwertbar sind.
Mit PLA2Scale findet sich ein weiteres Projekt im Umfeld der Biokunststoffe wieder. Darin sind das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Hochschule Hannover und das Sustainable Packaging Institute (SPI) der Hochschule Albstadt-Sigmaringen in einem Konsortium gemeinsam mit zehn Industriepartnern und zwei Verbänden involviert. Das Projektkonsortium untersucht, wie der PLA-Stoffstrom für ein Recycling erhöht werden kann, da die derzeitigen Mengen schlichtweg noch zu gering ausfallen. Mehr dazu lesen Sie hier.
Selbstverständlich existieren noch unzählige weitere Projekte in diesem Umfeld. Einige haben wir beispielhaft für Sie zusammengetragen:
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Wie naturfaserverstärkte Biopolymere den 3D-Druck nachhaltiger machen
Das Laser Zentrum Hannover (LZH) forscht zusammen mit Partnern im Projekt „3DNaturDruck" daran, aus naturfaserverstärkten Biopolymeren mittels 3D-Druckverfahren architektonische Bauteile, wie etwa Fassadenelemente zu generieren. Dafür sollen Kompositmaterialien aus Biopolymeren sowohl mit Naturkurzfasern, als auch mit Naturendlosfasern entwickelt und für die Verarbeitung mit dem additiven Fertigungsverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) optimiert werden.
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Wie bioabbaubare Blasfolien hergestellt werden
Ein weiteres Vorhaben wird vom Bundesministerium für Forschung und Entwicklung (BMBF) gefördert: Projekt Rubio. Es hat die inhaltliche Ausrichtung, den Biokunststoff Polybutylensuccinat (PBS) und seine vollständige Wertschöpfungskette vom Rohstoff bis zum Recycling so weiterzuentwickeln, dass neue, rundum einsatzfähige PBS-Typen entstehen, die den Markt für Biokunststoffe beleben und ihm neuen Schwung verleihen. Der Rohstoff wird hier vollständig aus nachwachsenden und biologischen Reststoffen hergestellt und führt so zu einem 100 % biobasierten Material, das zudem biologisch abbaubar ist. Die Materialien werden durch die im Projektbündnis beteiligten, kunststoffverarbeitenden Unternehmen zu Produkten weiterentwickelt und verarbeitet - unter anderem auch für Folienanwendungen.
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Bioabbaubares Stützmaterial für den 3D-Drucker
In einem Vorhaben des Instituts für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart (IKT) arbeiten Forscher an einem bioabbaubaren Supportmaterial für den 3D-Druck, das sich über das Abwasser ohne Mikroplastik entsorgen lässt. Entwickelt werden die bioabbaubaren Stützstrukturen im Forschungsvorhaben Aqua Loes. Diese bestehen hauptsächlich aus Polyhydroxybutyrat-co-valerat (PHBV) und Kochsalz und lassen sich im Wasserbad vom Bauteil ablösen und über das Abwasser entsorgen, ohne dass Mikroplastik entsteht. Das vollständig aus biologischen Quellen stammende PHBV ist in natürlichen Gewässern, auch im Meer, biologisch abbaubar. Mehr zum Vorhaben lesen Sie hier.
Wo werden Biokunststoffe eingesetzt?
Wie bereits vormals erwähnt, existieren zahlreiche Forschungsvorhaben, die sich den Biokunststoffen widmen. Dennoch werden diese Werkstoffe bereits vielfach eingesetzt - und das in einer Vielzahl an Anwendungen und unterschiedlichen Bereichen. Größter Anwendungsbereich bleibt European Bioplastics zufolge der Verpackungsbereich mit einem Anteil von 48 % am gesamten Biokunststoffmarkt im Jahr 2022. Das entspricht einer Produktionskapazität von 1 Mio. t. Insbesondere in den Bereichen Automobil, Transport, Landwirtschaft und Gartenbau sowie Elektrik und Elektronik werden in den nächsten Jahren vermehrt Biokunststoffe zum Einsatz kommen.
Das Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe der DITF Denkendorf hat ein nachhaltiges Verfahren für das Herstellen von Kohlenstofffasern (Carbonfasern) auf Holzbasis entwickelt. Bei diesem Verfahren wird auf die sogenannte Highpercellcarbon-Technologie zurückgegriffen. Der PLASTVERARBEITER hat sich dieses Verfahren einmal genauer angesehen und mit Dr. Frank Hermanutz, Bereichsleiter Kompetenzzentrum Biopolymerwerkstoffe Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf gesprochen.
Welche Potenziale biobasierte Kunststoffe heben können, zeigen auch die folgenden Beispiele, die zudem beim Biopolymer Kongress 2023 prämiert wurden.
- Den Anfang macht hierbei ein am TITK entwickelter Schmelzklebstoff namens Caremelt. Der Hintergrund: Verbinden Klebstoffe in der Regel Werkstoffe dauerhaft miteinander, lassen sich diese nach dem Produktlebenszyklus nur schwer wieder abtrennen. Ein Recycling kommt in der Regel nicht infrage. Aufgrund der sehr dünnen Klebstoffschichten ist bei der Entsorgung oder Wiederaufbereitung der zusammengefügten Werkstoffe die Entstehung von „Mikroplastik“ vorprogrammiert. Mit Carmelt soll dieses Problem umgangen werden, aber lesen Sie selbst.
- In der Biopharmazie werden große Mengen an Einweggefäßen benötigt, die nach Gebrauch thermisch verwertet werden. Green Elephant Biotech hat eine neuartige Zellkulturflasche entwickelt, die klimaneutral entsorgt werden kann und 133 herkömmliche ersetzt. Die Hintergründe zu deren Entwicklung, erfahren Sie hier.
- Eine weitere prämierte Innovation kommt von Solutions in Biocompounds (Sobico). Diese erschufen neuartige Copolymere aus Lactid und Polyol. Erfahren Sie mehr über deren Entwicklungsprozess und das Eigenschafts- sowie Anwendungsspektrum.
Zum vorherigen Interviewabschnitt
Herr Patermann, für welche Bereiche müssen noch geeignete biobasierte Polymere entwickelt werden?
Hier ist es zu früh, sich festzulegen: es gibt eigentlich keinen Lebens- oder Wirtschaftsbereich, den ich hier ausklammern oder besonders hervorheben möchte. Aber sicher stehen Chemie, Feinchemie, Bauchemie und vor allem Textilwirtschaft hier ganz ganz weit vorn. Allerdings können wir bisher noch nicht davon sprechen, dass Märkte hierfür tatsächlich schon existieren. Da ist ebenfalls noch ganz viel Arbeit in den einzelnen Staaten mit ihren Volkswirtschaften, aber auch international, ja weltweit vor uns. Wir werden aber aufpassen müssen, diese Bereiche nicht von vornherein zu überregulieren bzw. technische Lösungen von vornherein auszuschließen.
Eine weitere Entwicklung im Bereich der Biopolymere kommt vom belgischen Unternehmen Home Eos. Das Biopolymer resultiert aus einer direkten Polymerisationsreaktion von Molekülen, nicht Monomeren, mit hohem Molekulargewicht von gängigen Nebenprodukten aus der Agrar- und Lebensmittelindustrie. Die Formulierung besteht aus Proteinen, Polyol, Wasser, Stärke und einem Füllstoff, aus denen in Kombination zuvor noch kein Polymer hergestellt wurde. Bei der Reaktion entsteht ein bioabbaubarer Schaum, der für ein breites und wichtiges Anwendungsfeld – der Schall- und Wärmedämmung – entwickelt wurde. Mehr über den Werkstoff erfahren Sie in diesem Artikel.
Nachfolgend haben wir weitere Beispiele zusammengetragen, wo Biopolymere bereits heute in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden:
Wo Naturfaserhalbzeugen aus Hanf- und/oder Flachsfasern eingesetzt werden
Fuse aus Markkleeberg in Sachsen bietet mit komplett biobasierten Naturfaserhalbzeugen aus Hanf- und/oder Flachsfasern Lösungen für industrielle Hochleistungs-Verbundwerkstoffanwendungen an. Im Interview mit dem PLASTVERARBEITER geben die Gründer Lovis Kneisel und Kay Kölzig Einblicke zu biobasierten Verstärkungsfasern, deren Potenziale für den Leichtbau sowie derzeitige aber auch zukünftige Projekte. Neugierig? Dann Lesen Sie hier weiter.
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Wie Holz und Streu als Füllstoff für Verpackungen dienen
Im Forschungsprojekt Naverpa untersuchte die Inotech Group gemeinsam mit der TH Rosenheim den Einsatz nachwachsender Rohstoffe als Füll- und Verstärkungsmaterial für biobasierte Polymere und deren Einflüsse auf die Bauteileigenschaften sowie Verarbeitung und demonstrierte das Ergebnis an einem Tiegel für die Kosmetikindustrie. Dabei war es unter anderem Ziel, ein für die Kosmetikbranche ausgelegtes Inlay mit einem geringen Gewicht und damit Materialeinsatz umzusetzen sowie mit einer optisch, olfaktorisch und haptisch ansprechenden und nachhaltigen Außenschicht zu schützen. Die betrachteten Materialkombinationen wurden trennbar oder im gesamten recycelbar gestaltet.
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Wie Mais die Basis für Partikelschaumformteile bildet
Biobasierte Kunststoffe werden aus zahlreichen Pflanzen gewonnen. Aus Maisstärke wird seit vielen Jahren der bioabbaubare Kunststoff Polylactid hergestellt. Neuerdings dient die Maisstärke auch als Rohstoff für einen Partikelschaum. Als Basissubstrat können dabei alle Arten von gepufftem Getreide nach dem hydrothermischen Cerex Puffing-Verfahren dienen. Wie das funktioniert, erfahren Sie hier.
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Wo Gras nicht nur in der Biotonne landet
Das Unternehmen Biowert im Odenwald wollte einen neuartigen Kunststoff entwickeln, dessen Hauptbestandteil ein natürlicher Rohstoff ist. Dieser sollte beim Aufbereiten vollständig umgesetzt werden sowie nach dem Verarbeiten und dem Gebrauch des Bauteils keinen Plastikmüll hinterlassen. Als Grundlage hierfür wurde Gras auserkoren – ein kostengünstiger und weltweit verfügbarer Rohstoff, der nicht für die Produktion von Nahrungsmitteln eingesetzt wird. Wie daraus letztendlich ein Rohstoff für die weitere Verarbeitung entsteht und was genau damit realisiert werden kann, lesen Sie im folgenden Artikel.
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Lassen sich Schnuller aus biobasiertem Kunststoff herstellen?
Bei der Produktentwicklung des „Original Pure“ getauften Schnullers des Herstellers von Babyprodukten MAM wirkten Neste und Borealis mit. So besteht das Produkt aus erneuerbarem Polypropylen (PP) aus dem Bornewables-Portfolio kreislauforientierter Polyolefine von Borealis, hergestellt mit Neste RE, das vollständig aus erneuerbaren Rohstoffen erzeugt wird. Auch die Verpackung des Schnullerproduktes, die gleichzeitig als Sterilisierbox dient, wird aus Bornewables hergestellt, aber lesen Sie selbst.
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Warum sich Bastfasern für Leichtbauanwendungen eignen
Heimische Bastpflanzen wie Flachs, Hanf und Nessel dienen bereits seit Jahrhunderten zur Fasergewinnung. Zu den historischen Einsatzbereichen gehörten neben Bekleidung, häufig auch technische Gewebe wie beispielsweise für Säcke, Segel, Taue und Netze. Auch heute macht ihr großes Leichtbaupotenzial Bastfasern zu einer interessanten Materialalternative im Bereich der Entwicklung moderner kraftstoffsparender Autos und elektromobiler Lösungen. Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF arbeitet ein interdisziplinäres Forschungskonsortium mit elf Partnern aus Wissenschaft und Industrie an der Entwicklung innovativer biobasierter Materialien für den Leichtbau.
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Biopolymere in der Textilindustrie im Einsatz
Das Start-up Traceless Materials, Hamburg, hat etwa ein Material auf Basis natürlicher Polymere entwickelt, das rückstandslos abbaubar ist und nicht unter die EU Single Use Plastic Directive (SUPD)¹ fällt. Das Material kann zu Folien, Spritzgussteilen oder Papierbeschichtungen verarbeitet werden. Das junge Unternehmen der Gründerinnen Dr. Anne Lamp und Johanna Baare arbeitet bereits mit dem Modehändler C&A zusammen. So wurden Textilhaken aus dem pflanzenbasierten Biomaterial Traceless entwickelt, die bereits in einer ersten Pilotphase in der Filiale Hamburg Altona eingesetzt werden.
¹ Die Single-Use-Plastics Directive ist eine Richtlinie der Europäischen Union, um Einwegplastik einzudämmen.
Welcher Award prämiert Entwicklungen im Bereich der Biokunststoffe?
Biologisch abbaubare Kunststoffe können einen wertvollen Beitrag zu einer nachhaltigen Industrieproduktion leisten. Sie schließen den Kohlenstoffkreislauf und vermeiden Kunststoffabfall. Darauf zielt auch die EU-Kunststoffstrategie ab. Derzeit sind bioabbaubare Polymere nur ein sehr kleiner Teil der Gesamtkunststoffproduktion und ihre Potenziale werden noch bei Weitem nicht ausgeschöpft.
Vor diesem Hintergrund lobt die gemeinnützige Fördergemeinschaft Polykum seit 2019 den internationalen Biopolymer Innovation Award aus. Mit dem Preis werden wegweisende Produkte und Anwendungen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen sowie neuartige technologische Entwicklungen zum Herstellen, Verarbeiten, Kompostieren oder zum Recycling von Produkten aus dieser Werkstoffklasse ausgezeichnet und einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.
- Die ausgezeichneten Produkte aus dem Jahr 2022 können Sie hier einsehen
- Welche Projekte und Entwicklungen 2023 prämiert wurden, können Sie hier nachlesen
- Einen Überblick über den Biopolymer Kongress 2023 mitsamt den Gewinnern finden Sie auch in diesem Artikel.
Ihre Bewerbung einreichen können Unternehmen, Forschungsverbünde, Projektgruppen oder Einzelpersonen aus aller Welt und allen Branchen, sofern sie neuartige Produkte oder Anwendungen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen beziehungsweise innovative Technologien entwickelt haben. Vorausgesetzt wird eine intrinsische Bioabbaubarkeit der dabei verarbeiteten Kunststoffe. Das bedeutet, dass die verwendeten Polymere am Ende der Nutzungsdauer von Mikroorganismen oder Enzymen komplett zu Biomasse verstoffwechselt und somit Teil der natürlichen Kreisläufe werden können. Die Innovationen sollten das Stadium der Grundlagenforschung überschritten haben und realistische Chancen auf einen Markteintritt besitzen oder bereits erfolgreich am Markt platziert sein.
Die Auswahl der Preisträger erfolgt unter allen Einsendern durch die von Polykum bestellte fünfköpfige Jury, der Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft, Politik und Medien angehören. Die nächste Ausgabe des Biopolymer Kongresses findet am 11. Juni 2024 statt!
In folgendem Video können Sie den Kongress und die Gewinner zusätzlich Revue passieren lassen: