Fraunhofer-Leitprojekt SUBI²MA – Nachhaltige biobasierte und biohybride Materialien

Ziele und Lösungsansätze

SUBI²MA -Materialien liefern der Kunststoff- und chemischen Industrie sowie den Folgemärkten wie der Bauchemie, Automobilindustrie, Textilchemie und Gesundheit eine Antwort auf die Herausforderungen nationaler und globaler Nachhaltigkeitsstrategien. Die digitalen Abbildungen der geschaffenen Innovationsprinzipien ermöglichen darüber hinaus, schnell und flexibel auf zukünftige Herausforderungen der Transformation der Kunststofftechnik und anderer Märkte im Kontext nachhaltigen Wirtschaftens reagieren zu können.

Drei Schlüsselthemen/-ziele werden dabei im Projekt bearbeitet:

1. Bereitstellung und Demonstration von neuen biobasierten Materialien durch Entwicklung von Syntheserouten, Verarbeitungstechnologien, Charakterisierung und Evaluation
2. Bereitstellung und Demonstration von neuen biohybriden Materialien durch Optimierung der Eigenschaften, Funktionalisierung, Charakterisierung und Evaluation
3. Erarbeitung und Etablierung von nachhaltigen Fast-Track-Entwicklungen durch Digitalisierung, Simulation und ganzheitlicher ökologischer Bewertung

Neue biobasierte Materialien

Das erste Ziel, »neue biobasierte Materialien«, soll erreicht werden, indem ein neues biobasiertes Hochleistungspolyamid, das Caramid, bis zur Marktreife entwickelt wird. Dieses neue biobasierte Polyamid wurde durch das Fraunhofer IGB am Institutsteil Straubing erstmalig synthetisiert und wird im Rahmen des Projekts sowohl von der Synthese, als auch von den Verarbeitungsmethoden her derart weiterentwickelt und die Anwendung demonstriert, dass es als konkurrenzfähige Alternative zu fossilen Polyamiden bestehen kann.

Neue biohybride Materialien

Ziel Nummer zwei, »neue biohybride Materialien«, wird durch die Integration von biologischen Bausteinen in Kunststoffe erfüllt, die diesen zusätzliche Funktionen verleihen und so das Anwendungsspektrum erweitern. Hierbei spielt die Prä- und die Postumformung von PET und Cellulose, als massenhaft eingesetzte Polymere eine entscheidende Rolle. Funktionalitäten, die angestrebt werden, sind die Steuerung der Hydrophilie, die biobasierte Additivierung für Flammschutz sowie der beschleunigte Abbau und die antimikrobielle Wirksamkeit.

Fast-Track-Entwicklungen

Das dritte Ziel, »Fast-Track-Entwicklungen«, umfasst die Konzeptionierung einer digitalen Wertschöpfungskette, um zukünftig Materialsubstitutionen deutlich zu beschleunigen, aber auch Nachhaltigkeitsbetrachtungen bei der Materialentwicklung. Die digitale Wertschöpfungskette umfasst Digitalisierung und Simulation von molekularer Ebene der Synthese bis hin zu Modellierung von Prozessen, wie dem Faserspinnen, und ebenso die Entwicklung von digitalen Demonstratoren. 

Die Forschungsaktivitäten am Fraunhofer IGB, Institutsteil Straubing, konzentrierten sich auf die Ziele eins und zwei.

Weiterentwicklung von Caramid

Hauptaufgabe des ersten Ziels ist die Weiterentwicklung von Caramid durch Synthese- und Verarbeitungsoptimierung. Caramid wird aus dem Naturstoff 3-Caren nach chemischer Modifikation gewonnen. 3-Caren, ein Monoterpen, fällt in größeren Mengen bei der Bereitstellung von Cellulose im Kraft-Prozess als bisher kaum genutzter Nebenstrom an. Zwei unterschiedliche Monomer-Bausteine können aus 3-Caren gewonnen werden: 3S-Caranlactam und 3R-Caranlactam.

Das Fraunhofer IGB fokussiert sich in Ziel eins auf die Optimierung der Reaktionsbedingungen zur Synthese der beiden Monomere 3S- und 3R-Caranlactam, sowie deren Bereitstellung in ausreichenden Mengen. Durch die Beauftragung eines Lohnherstellers konnten Technikumsmengen 3R-Caranlactam bereitgestellt werden. Die Aufreinigung fand am Fraunhofer CBP statt.

Das gereinigte 3R-Caranlactam-Monomer, sowie kleinere Mengen des in kleineren Chargen am Fraunhofer IGB synthetisierten 3S-Caranlactams wurden dem Fraunhofer IAP übergeben. 

Die Polymerisation zu Gusspolyamid erfolgte am Fraunhofer IGB, die hydrolytische Polymerisation wurde am Fraunhofer IAP entwickelt, wie auch die Verarbeitung zu nachhaltigen Monofilamenten für Textilien. Am Fraunhofer ICT erfolgt die Schäumung von Caramid zu biobasierten Polyamidschäumen, z. B. für den Leichtbau.

Hydrophobierung von Cellulosefasern und Ausrüstung von Cellulose-basierten Membranen

Im Rahmen des zweiten Ziels liegt der Schwerpunkt beim Fraunhofer IGB auf der Hydrophobierung von Cellulosefasern für textile Anwendungen und bei der exemplarischen Ausrüstung von Cellulose-basierten Membranen am Beispiel von Rezeptoren des angeborenen Immunsystems, den Toll-like-Rezeptoren (TLR) als einfaches Analysetool für mikrobielle Verunreinigung.

Die Hydrophobierung von Cellulose wurde mit Hilfe von Fusionsproteinen bestehend aus einer Cellulosebindedomäne und einem Hydrophobin im Gramm-Maßstab durchgeführt. Durch Variation beider Domänen ließen sich verschiedene Fusionsproteine rekombinant herstellen und untersuchen. Je nach Art und Konzentration des Konstrukts konnte in Tropfentests die erfolgreiche Hydrophobierung der Cellulose gezeigt werden. 

In aktuellen Arbeiten wird der Einfluss der hydrophobierten Cellulose zur Herstellung von Cellulosefaser-verstärkten PLA untersucht. Dazu werden PLA Compounds mit hydrophobierter und unbehandelter Cellulose hergestellt und hinsichtlich ihrer Materialkennwerte (u.a. Zugprüfung) verglichen.

TLR erkennen mikrobielle Rückstände, isolierte chemische Strukturen, Zellwandbestandteile oder vollständige Mikroorganismen. Sie können im Gegensatz zu Antikörpern, die jeweils auf den Nachweis sehr spezifischer Antigene eingeschränkt sind, weite Mikroorganismenklassen wie z. B. Gram-negative oder Gram-positive Bakterien nachweisen. Damit eignen sich TLR vor allem, um unbekannte Analyten im Sinne einer Summenanalytik einzuengen bzw. klassenspezifisch Proben zu selektieren. Hierin liegt die Stärke von TLR als Analysetools, da mit den einzelnen TLR bzw. TLR-Komplexen sehr schnell Kontaminationsquellen in ihrer Herkunft (Gram-positive bzw. -negative Bakterien, Viren, Hefe, Pilze) eingeschränkt werden können. Dieses Wissen reduziert maßgeblich den Analyseaufwand, bietet einen Zeitvorteil und spart somit Kosten ein. Die fermentative Produktion der TLR in mammalischen Expressionssystemen sowie die gerichtete Funktionalisierung ausgewählter Materialien mit TLR wurde bereits durchgeführt. Ziel ist es, exemplarisch strukturiert funktionalisierte Cellulose-Membranen mit immobilisierten TLR herzustellen und daraus erste Teststreifen zum Nachweis Gram-positiver Bakterien und deren Rückstände als Demonstrator aufzubauen.