Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat eine nachhaltige Alternative zu petrochemisch hergestellten Kunststoffen entwickelt. Caramid-R^® und Caramid-S^® sind Vertreter einer neuen Polyamidklasse, die aus Terpenen hergestellt wird. Bei der Herstellung von Zellstoff, bei der Holz zur Gewinnung von Zellulosefasern aufgeschlossen wird, fallen Terpene in erheblichen Mengen als Nebenprodukt oder Abfallstoff, dem Terpentinöl, an.

In dem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) geförderten Verbundvorhaben »TerPa – Terpene als Bausteine für biobasierte Polyamide« optimieren die Wissenschaftler am Straubinger Institutsteil BioCat des Fraunhofer IGB die Synthese von Lactamen aus dem Terpen 3-Caren und die anschließende Polymerisierung zu Caramid-R^® und Caramid-S^®. Für das Verfahren zur Herstellung terpenbasierter Polyamide wurde jüngst ein Patent erteilt.

Ein-Topf-Monomersynthese und Scale-up in den 100-Liter-Maßstab

Die Umsetzung von 3-Caren zum entsprechenden Lactam erfolgt durch vier einfache chemische Stufen, die weder aufwändige Produktionsanlagen noch teure Reagenzien benötigen. Schlüsselschritte zu den Polymerbausteinen 3S- und 3R-Caranlactam sind die selektive Herstellung des Zwischenprodukts 3S-Caranketon und dessen selektive Umlagerung zum isomeren 3R-Caranketon.

Die Herstellung der Monomere kann als Ein-Topf-Synthese durchgeführt werden. »Dies bietet die Möglichkeit, die Lactame auch in einfachen Anlagen ohne aufwändige Reaktorkaskade herzustellen. Eine Reinigung der Zwischenprodukte ist nicht erforderlich«, erläutert Paul Stockmann, der das Verfahren entwickelt hat.

Die Synthese des Monomers für Caramid-S^® konnte am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, dem Institutsteil Leuna des Fraunhofer IGB, nun in den 100-Liter-Maßstab skaliert werden. »In der Pilotproduktion haben wir mehrere Kilogramm Monomer hergestellt, was ein Upscaling der Polymerisation in den Kilogramm-Maßstab erlaubt«, so Dr. Harald Strittmatter, Leiter des Projekts TerPa.

Exzellente thermische Eigenschaften

Die chemische Struktur des bisher wirtschaftlich kaum genutzten Naturstoffs 3-Caren, die petrochemisch nur sehr aufwändig zugänglich wäre, führt zu neuen Polyamiden, die an der Polymerkette cyclische Strukturen tragen. Aufgrund dieser Ringe und weiterer Substituenten verfügen die Isomere Caramid-S^® und Caramid-R^® im Vergleich zu Standard-Polyamiden über außergewöhnliche thermische Eigenschaften. Die Erweichungstemperaturen (Glasübergang) liegen bei über 110 °C.

Caranlactame zur funktionalen Erweiterung von Standardpolyamiden

Darüber hinaus haben die Wissenschaftler die biobasierten Lactame auch mit anderen kommerziell erhältlichen Polymerbausteinen – Laurinlactam für PA12 und Caprolactam für PA6 – zu Copolymeren, polymerisiert. Dies eröffnet die Möglichkeit, die funktionellen Eigenschaften der Polyamide PA6 und PA12 zu verändern und somit ihr Anwendungsprofil zu erweitern.

Aktuell arbeiten die Wissenschaftler des Fraunhofer IGB an der weiteren Verbesserung der Monomersynthese, um die Bausteine für die neuen Polyamide zu wirtschaftlich konkurrenzfähigen Kosten herstellen zu können. Zudem untersuchen sie detailliert die Eigenschaften der Polymere, um zusammen mit industriellen Partnern potenzielle Anwendungen zu identifizieren und eine kommerzielle Nutzung der Biopolyamide umzusetzen.