Herstellung von Biopolymeren und biobasierten Polymeren

Synthetische oder erdölbasierte Polymere bieten Vorteile, von denen die Menschheit mehr als ein Jahrhundert profitiert hat. Es ist daher kein Wunder, dass mehr als 90 Prozent der weltweit hergestellten Polymere auf Erdöl basieren. Neben den Vorteilen, die diese bieten, werden jedoch auch zunehmend ihre Nachteile sichtbar, wie die Erschöpfung fossiler Ressourcen, die Verschmutzung der Weltmeere und erhöhte CO₂-Emissionen durch Verbrennung nicht-abbaubarer Kunststoffe.

Neue Ansätze sehen daher vor, die Rezyklierbarkeit deutlich zu erhöhen, auch durch die verstärkte Anwendung von Monomaterialien. Trotz dieser Anstrengungen sind aber auch alternative und komplementäre Ansätze gefragt, um den genannten Herausforderungen zu begegnen. Dieser Umstand, wie auch der Klimawandel und ein gestiegenes Umweltbewusstsein, haben den Fokus auf Kunststoffe aus biogenen Rohstoffen gerichtet. Biobasierte Kunststoffe sind meist bioabbaubar, biokompatibel und können CO₂-neutral hergestellt werden.

Bioabbaure Polymere sind vor allem dann gefragt, wenn Kunststoffe für den direkten Einsatz in der Umwelt benötigt werden, beispielsweise bei landwirtschaftlich genutzten Folien. Diese verrotten einfach mit der Zeit und hinterlassen keine Mikroplastik-Spuren. Der Aspekt der Biokompatibilität spielt insbesondere bei medizinischen und kosmetischen Anwendungen eine Rolle.

Wir am Fraunhofer IGB tragen entscheidend zur Entwicklung neuartiger biobasierter Kunststoffe bei, indem wir Prozesse zur Herstellung oder Aufreinigung verschiedener biobasierter Polymere und Biopolymere entwerfen sowie optimieren.

Native Biopolymere (Lignin, Cellulose, Hemicellulose, Latex, Inulin oder Chitin) werden am IGB nach Aufreinigung und Extraktion aus nachwachsenden Rohstoffen oder Abfallströmen gewonnen.

Eine weitere Option besteht in der Nutzung dieser Stoffströme nach entsprechender Konversion:

• Mikrobiell hergestellte Polymere, z. B. Polyhydroxyalkanoate (PHA)
  Für die Herstellung verschiedener PHA verwenden wir Abfallströme wie Altspeiseöle, Lignocellulose-Fraktionen oder volatile Fettsäuren aus der Abwasserreinigung.
• Biobasierte Monomere (Hydroxycarbonsäuren und Dicarbonsäuren)
  Die biobasierten Monomere stellen wir biotechnologisch mittels Fermentation aus Abfallströmen her. Nachfolgend können diese chemisch zu Polymeren (Polyestern, Polyamiden, Polyurethanen) mit gewünschten Eigenschaften polymerisiert werden. Unser Portfolio umfasst Äpfelsäure, Itakonsäure, Xylonsäure, langkettige Dicarbonsäuren (lc-DCA) und Milchsäure.

Die Biopolymere können – auf Basis zugrunde liegender thermodynamisch-mechanischer Daten – fossil-basierte Polymere ersetzen oder gar neue Anwendungsfelder erschließen.

Gerne untersuchen wir im Kundenauftrag die Aufarbeitung nativer Biopolymere sowie die mikrobielle Herstellung von PHA, Hydroxycarbonsäuren und Dicarbonsäuren sowie die Aufreinigung der Polymere ausgehend von Ihren spezifischen Abfallströmen.

Chitin ist – nach Cellulose – das zweithäufigste natürliche Polymer auf der Erde und wird von Pilzen, Insekten und Krabben als strukturelle Komponente gebildet. Cellulose ist Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände. Lignocellulose ist das Strukturmaterial in der Zellwand aller holzigen Pflanzen und Hauptbestandteil von Reststoffen wie Stroh oder Holz.

Native Biopolymere wie Lignin, Cellulose, Hemicellulose, Chitin, Latex oder Inulin gewinnen wir am Fraunhofer IGB nach Aufreinigung und Extraktion aus nachwachsenden Rohstoffen oder Abfallströmen. So reinigen wir chitinhaltige Reststoffe (Insektenhäute, Abfälle aus der Fischerei und der Pilzzucht) zur Gewinnung des Chitins und nachfolgenden Konversion zu Chitosan auf.

Des Weiteren fraktionieren wir lignocellulosehaltige Biomasse aus Reststoffströmen in Land- und Forstwirtschaft in die Fraktionen Cellulose, Hemicellulose und Lignin. Dank unserer Expertise in der enzymatischen Hydrolyse der einzelnen Polymere können wir diese für weitere Anwendungen zugänglich machen.

Auch mit der Gewinnung von Latex und Inulin aus russischem Löwenzahn haben wir uns befasst.

Polyhydroxyalkanoate (PHA) – bioabbaubar und biokompatibel

Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind bakterielle Speicherpolymere, deren Produktion unter Nährstoffmangel und Kohlenstoffüberschuss induziert wird. Der bekannteste Vertreter der PHA ist Polyhydroxybutyrat (PHB); seine Copolymere – allen voran PHBV (Polyhydroxybutyrat-co-hydroxyvalerat) – sind von großer Bedeutung für die Herstellung von Biokunststoffen.

Die mikrobielle Synthese von PHA bietet den Vorteil, über die Auswahl der Mikroorganismen und der Substrate sowie durch die Optimierung des Bioprozesses selbst Biopolymere mit gewünschten thermischen und mechanischen Eigenschaften (z. B. Glasübergangs- und Schmelztemperatur) herzustellen.

Unabhängig von ihrer Zusammensetzung zeichnen sich PHA durch Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit aus. Damit lassen sie sich beispielsweise in Verpackungen, z. B. als Einweg-Plastikflaschen für Non-Food-Anwendungen, für medizinische Implantate und landwirtschaftliche Folien einsetzen, um verschiedene Polymere auf fossiler Basis (z. B. Polyethylen) zu ersetzen.

Dank unserer Prozessoptimierungen sind die eingesetzten Mikroorganismen in der Lage, mehr als 90 Prozent PHA in der Zelle anzureichern. Ein Aufreinigungsprozess ist daher potenziell gar nicht mehr notwendig, zur Gewinnung von hochreinem PHA jedoch bereits am Institut etabliert.

Wir stellen verschiedene Varianten von PHA und Copolymere von PHBV mit unterschiedlichem Valeratgehalt her, je nach den Anforderungen für die verschiedenen Anwendungen. Dazu verwenden wir Altspeiseöl, volatile Fettsäuren (aus der Abwasserreinigung), Rohglycerin und andere geeignete Abfallströme als Substrate für die Mikroorganismen.

Am Fraunhofer IGB stellen wir mit verschiedenen fermentativen Verfahren Hydroxycarbonsäuren und Dicarbonsäuren aus biogenen Reststoffströmen her. Unser Portfolio umfasst hierbei Äpfelsäure, Itakonsäure, Xylonsäure, langkettige Dicarbonsäuren (lc-DCA) und Milchsäure, die sich in nachfolgenden Prozessen polymerisieren lassen.

Die Einstellung der gewünschten Polymereigenschaften kann bei der Verwendung biobasierter Carbonsäuren nicht nur über das Monomer selbst, sondern auch über die Polymerisationsbedingungen erreicht werden

Die Verfahrensentwicklung unter Berücksichtigung des Substrates, dessen Zufütterung oder des Mikroorganismus hat zwar keinen Einfluss auf die Eigenschaften des Zielmoleküls, ist jedoch für Produktkonzentration und Effizienz der Umsetzung entscheidend. Im Fall von Xylonsäure konnten wir so etwa Titer über 300 g/L erreichen.

Polymalat – als Kaschierklebstoff?

Polymalate sind Polymere der Dicarbonsäure Äpfelsäure. Im Projekt Malum befasst sich das Konsortium mit der fermentativen Herstellung von enantiomerenreiner Apfelsäure, der weiteren Aufreinigung sowie der anschließenden Herstellung der Polymere. Während sich das IGB in diesem Projekt mit dem Scale-up der Fermentation und dem Downstream Processing befasst, verantwortet einer unserer Projektpartner, die HPX Polymers GmbH, die Polymerisation der L-Äpfelsäure.

Homopolymere der racemischen Äpfelsäure sind wasserlöslich, biokompatibel und biologisch abbaubar, aber zu hart und spröde für die geplanten Anwendungen.

Erste Versuche wurden mit kommerziell erhältlicher DL-Äpfelsäure durchgeführt. Im Projekt konnten durch Funktionalisierung oder Copolymerisation mit anderen Monomeren neuartige Biopolymere mit höherer Elastizität und Zähigkeit hergestellt werden. Erste anwendungstechnische Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Polymere als Kaschierklebstoffe eingesetzt werden können.

• Qualitative und quantitative Analyse der chemischen Zusammensetzung des Roh- oder Abfallstroms (Chitin, Lignin, Cellulose, Hemicellulose, Asche, Fett, Protein)
• Fraktionierung / Aufreinigung verschiedenster Roh- und Abfallströme
• Screening nach mikrobiellen Polyhydroxyalkanoat-Bildnern
• Qualitative und quantitative Analytik von Polyhydroxyalkanoaten
• Optimierung der fermentativen Herstellung von Hydroxy- und Dicarbonsäuren
  
• Entwicklung von Aufreinigungsstrategien für biobasierte Carbonsäuren und mikrobiellen Polymeren
• Die jeweiligen Prozesse können an unserem Institutsteil in Leuna, dem Fraunhofer CBP, aufskaliert werden.
• In-house post-Modifikation verschiedener Polymere

Gerne untersuchen wir im Kundenauftrag die mikrobielle Herstellung oder Aufreinigung von biobasierten Polymeren oder Biopolymeren aus Ihren Reststoffströmen.