Kunststoffe mit Bio-Feeling
Wie man Polymere aus Biomasse gewinnt
Die Angaben schwanken; aber zwischen fünf und zehn Prozent des Produktionsvolumens der chemischen Industrie basieren bereits auf nachwachsenden Rohstoffen, und das Interesse ist groß, den Anteil signifikant zu erhöhen - wegen der endlichen Ölvorkommen und aus Gründen des Klimaschutzes.
Welche Möglichkeiten sich hier für die Kunststoffproduktion bieten, will die Tagung "Bio&Polymers", die vom 28. bis 30. September 2008 in Aachen stattfindet, aufzeigen. Die von der Fachgruppe Makromolekulare Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) organisierte Tagung geht darüber hinaus auf von der Natur inspirierte oder biofunktionale Polymere ein und behandelt Polymere für die Biomedizin.
Weltweit werden jährlich etwa 240 Millionen Tonnen Kunststoffe aus Erdöl hergestellt. Was passiert, wenn die bislang bekannten Erdölvorkommen in 35 bis 40 Jahren erschöpft sind? Wie Dr. Stefan Marcinowski, Vorstandsmitglied der BASF SE, im ersten Plenarvortrag der Aachener Tagung erläutert, hält man in Ludwigshafen für bestimmte aus Biomasse gewonnene Polymere ein großes Wachstumspotenzial für wahrscheinlich. Ökobilanzen, die von der Pflanzung über die Düngung, Ernte und Umwandlung des biobasierten Rohstoffs in ein marktfähiges Produkt bis zu dessen Entsorgung alle Auswirkungen berücksichtigen, sollen bei der Entscheidung für gangbare Produktionswege helfen. Die Möglichkeiten reichen von einstufigen Synthesen von Polyestern in Bakterien (beispielsweise Polyhydroxy-Alkanoate) über die enzymatische Produktion von Monomeren (beispielsweise Milchsäure oder Bernsteinsäure) bis zur Umwandlung von pflanzlichen Ölen in Monomere (beispielsweise Sebacinsäure). Die daraus resultierenden Polymere (beispielsweise Polyester, Polyamide oder Polyurethane) stehen in Konkurrenz zu den bewährten Produkten. Von Fall zu Fall muss also sorgfältig erwogen werden, ob der biobasierte Kunststoff ökonomisch und ökologisch Sinn macht.
Vor zehn bis 20 Jahren rankten sich die öffentlichen Diskussion eher darum, der Kunststoffabfälle Herr zu werden. Und so befasste man sich auch in der chemischen Industrie eher mit der Frage der biologischen Abbaubarkeit von Kunststoffen als mit der Rohstoffbasis für Kunststoffe. Ein erdölbasierter Polyester, vernetzt mit Stärke, wurde als ein abbaubares Kompositmaterial entwickelt, das bis heute für Müllsäcke Verwendung findet. Auch wenn die biologische Abbaubarkeit heute in der öffentlichen Diskussion kaum mehr eine Rolle spielt, Forschung und Entwicklung in der chemischen Industrie sind damit nach wie vor befasst. So hat man ganz neue Polymere entwickelt, beispielsweise Polybutylensuccinate (PBS), Polyhydroxyalkanoate (PHA) oder Polymilchsäure-Blends (PLA-Blends).
Eine Entwicklung hinsichtlich der vermehrten Nutzung erneuerbarer Rohstoffquellen für Polymere basiert darauf, aus Biomasse Monomere zu synthetisieren, die in bereits existierenden Produktionsprozessen in herkömmliche Polymere eingearbeitet werden. Mit Dicarbonsäuren, Diolen oder Diaminen aus nachwachsenden Rohstoffen erhält man Polyester und Polyamide mit biologischen Anteilen zwischen 25 und 100 Prozent.
Polyamide auf rein biologischer Basis sind bereits seit wenigstens 50 Jahren bekannt. Ausgehend von Rizinusöl bzw. Rizinolsäuremethylester, erhielt man neben unterschiedlichen Polyamiden zahlreiche Nebenprodukte und unvermeidbare wertlose Reststoffe. Deshalb stellte man die Polyamid-Produktion - etwa in den siebziger Jahren - auf Erdölbasis um. Geht man jetzt also "zurück in die Zukunft", fragt Dr. Harald Häger von der Evonik Degussa GmbH in Marl. Sicherlich sollten die Herstellprozesse der frühen Biopolyamide nicht wieder aufgegriffen werden, nur um Polymere unter dem Siegel "Bio" vermarkten zu können. Vielmehr müssen neue Wege im Sinne der Nachhaltigkeit beschritten werden.
Solche Wege zeigt Dr. Michael A.R. Meier von der Fachhochschule Oldenburg/Ostfriesland/Wilhelmshaven auf, wobei auch er sich auf pflanzliche Fette und Öle fokussiert. In Aachen geht er u.a. auf die Herstellung von Fettsäureestern aus Pflanzenölen mit Hilfe modernster katalytischer Verfahren (Olefinkreuzmetathese), auf die direkte Herstellung von Makromolekülen mit der acyclischen Dienmetathese und auf die kontrollierte Polymerisation von Acrylaten und Methacrylaten aus Pflanzenölen ein. Mit modernsten Polymerisationsmethoden können gut definierte Block-Copolymere erhalten werden, deren Eigenschaften, beispielsweise ihre Mizellenbildung, derzeit genau untersucht werden.
Polyesterharze mit hohen Anteilen an Terephthalsäure sind in Pulverlacken sehr verbreitet, und natürlich werden auch hier die Monomere bislang aus Erdöl gewonnen. Eine niederländische Forschergruppe um Professor Dr. Cor E. Koning von der Technischen Universität Eindhoven hat sich zum Ziel gesetzt, biobasierte Harze zu entwickeln, die hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften und chemischen Stabilität mit den derzeitigen Materialien mithalten können. Die aussichtsreichsten "erneuerbaren" Monomere sind Isosorbid und seine Isomere, Bernsteinsäure, 2,3-Butandiol und 1,3, Propandiol. Die Polymere lassen sich mit Substanzen wie Glycerin oder Zitronensäure modifizieren. Vernetzt werden die Polymere noch mit konventionellen Substanzen.
Um die Landwirtschaft mit dem Anbau nachwachsender Rohstoffe nicht überzustrapazieren, wird mit Holz, genauer mit Holzhydrolysaten, als Rohstoff experimentiert, und zwar möglichst auf Basis von Abfällen aus der Forstwirtschaft. Ein schwedisches Forscherteam um Professor Dr. Ann-Christine Albertsson vom Royal Institute of Technology in Stockholm stellt in Aachen die Ergebnisse langjähriger Arbeiten vor, die zu funktionellen Materialien, hauptsächlich Hydrogelen und Barrierefolien, aus raffinierter, hemicellulosehaltiger Holz-Biomasse führten. Anwendungspotenziale hätten die Hydrogele in der Landwirtschaft und auf pharmazeutischem Gebiet, die Barrierefolien für Verpackungen, die keinen Sauerstoff durchlassen dürfen, so die schwedischen Wissenschaftler.
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