Biopolymere – Materialbausteine der Zukunft

Wenn wir in unseren (Arbeits-)Alltag um uns herum etwas anfassen, handelt es sich mit hoher Wahrscheinlichkeit um ein synthetisch produziertes Material, das Polymere beinhaltet. Um unseren Lebensstandard zu bewahren, zu verbessern und gleichzeitig die Herstellung und Verfügbarkeit von Hochleistungsmaterialien ressourceneffizienter und klimafreundlicher zu gestalten, ist die stetige Entwicklung von neuen Materialien nach Prinzipien der nachhaltigen Chemie alternativlos.

Für den breiteren Einsatz von biobasierten Kunststoffen in verschiedenen Anwendungen sind Innovationen innerhalb des gesamten Wertschöpfungszyklus wesentlich, angefangen bei der Rohstoffgewinnung über die Verarbeitung bis hin zum Recycling. Nur mit diesen kann es gelingen, den ökonomischen und technischen Vorsprung der konventionellen fossilbasierten Kunststoffe aufzuholen und Biokunststoffe im Markt zu akkumulieren und zu etablieren, sowie die Akzeptanz für deren einzigartige Vorteile zu schaffen.

Am Fraunhofer IGB forschen wir an Entwicklungen mit unterschiedlichen Biopolymeren. Dazu gehören Polysaccharide wie Cellulose und Chitin/Chitosan, Polyester wie Polyhydroxyalkanoate (PHA), Polyamide wie Proteine und komplexe Polymernetzwerke wie Lignin. Zur technischen Herstellung der Biopolymere nutzen wir letztendlich die Synthesefähigkeiten der Natur. Die entstehenden Biopolymere werden dann aus Biomasse isoliert, aufgereinigt und ggf. für Anwendungen modifiziert (z. B. PHA, Chitin/Chitosan, Lignin, Proteine).

Ebenso gewinnen wir auf biotechnologischem Weg Monomere, die mittels weiterer Schritte in das Ziel-Biopolymer überführt werden (z. B. Polymalat).

Daneben forschen wir an biobasierten Polymeren wie den Caramiden (terpenbasierte Polyamide) oder Polyethylenfuranoat (PEF) als potenziellem PET-Ersatz, welches den zukunftsträchtigen Polyester-Baustein Furandicarbonsäure (FDCA) enthält. Solche Polymere enthalten allesamt biobasierte Monomerbausteine.

Unser Leistungsangebot zur Entwicklung und Herstellung von Biopolymeren und biobasierten Polymeren deckt dabei die gesamte Innovationskette ab. 

Gerne unterstützen wir auch Sie und beraten Sie in einem Erstgespräch!

Die Rohstoffbasis für Biopolymere und biobasierte Polymere

Die Natur hält ein breites Repertoire zur Biosynthese von Polymeren bereit. Je nach Organismus können dabei unterschiedliche Rohstoffquellen genutzt werden. Pflanzen und Mikroalgen nutzen Kohlenstoffdioxid zum Aufbau von Cellulose oder Stärke mittels Photosynthese. Bakterien, die PHA einlagern, nutzen bevorzugt organische Stoffe.

Am Fraunhofer IGB machen wir uns für die Herstellung von Biopolymeren und biobasierten Polymeren das komplette Spektrum der Syntheseleistungen der Natur zunutze. Damit können wir unterschiedlichste Rohstoffe nutzen wie CO₂, biogene Roh- und Reststoffe und wie jüngst gezeigt sogar biogene Abfallstoffe.

Ein Hauptaugenmerk liegt auf dem nachwachsenden Rohstoff Holz, inkl. aller seiner Bestandteile, sowie ligninhaltiger Biomasse aus Nebenströmen der Landwirtschaft, wie z. B. Weizenstroh. Für die Aufspaltung der Lignocellulose, dem Bestandteil der Zellwand verholzter Pflanzen, setzen wir neue Verfahren wie den Organosolv-Aufschluss ein, bei dem die Solubilisierung des Lignins mithilfe von organischen Lösemitteln an unserer Pilotanlage am Fraunhofer CBP in Leuna erfolgt. Die Erweiterung der Rohstoffbasis für Kunststoffe aus CO₂ ist ein weiteres Ziel, das wir aktiv verfolgen.

Durch die Nutzung nachwachsender, nachhaltig produzierter Rohstoffe sowie biogener Rest- und Abfallstoffe zur Herstellung von Polymeren tragen wir zur Transformation hin zu einer nachhaltigen Wirtschaft ohne fossile Rohstoffe bei.

Unsere Technologien zur Herstellung und Modifizierung von Biopolymeren

Um in Zukunft fossilbasierte Polymere durch Biopolymere ersetzen zu können, müssen bestehende Prozesse optimiert, neue effiziente Prozesse etabliert und diese zu ganzheitlichen Wertschöpfungskreisläufen zusammengefügt werden.

Durch Erforschung unterschiedlicher Rohstoffnutzungswege und verschiedener Synthesestrategien sind wir am Fraunhofer IGB in der Lage, diverse chemische Zwischenprodukte zur Polymersynthese auf Basis von Biomasse herzustellen. Dies erfolgt beispielsweise über innovative biotechnologische oder chemische Konversionen von Biomassebestandteilen wie Kohlenhydraten oder Lignin. Die Spanne reicht dabei von sogenannten Drop-in-Verbindungen, also molekularidentischen Produkten, bis hin zu Biokunststoffen mit teilweise neuen Eigenschaftsprofilen, z. B. Polymilchsäure und andere biobasierte Polyester. Auch indem wir Prozesse zur Aufreinigung verschiedener biobasierter Monomere und Biopolymere entwerfen und optimieren, tragen wir am Fraunhofer IGB zur Entwicklung neuartiger biobasierter Kunststoffe bei.

Im Zuge es weiteren Wertschöpfungszyklus kann das chemisch oder biotechnologisch hergestellte Polymer dann auch mit anderen Polymeren oder Additiven verbunden werden, um die Materialeigenschaften für die späteren Kunststoffbauteile anzupassen. Beispiele dafür sind etwa Weichmacher, Flammschutzmittel, Stabilisatoren, aber auch (Natur-)Fasern oder biobasierte Carbonfasern. Nach der sogenannten Compoundierung – also der Mischung − lassen sich die biobasierten Kunststoffe dann zu Folien, Formkörpern oder Bauteilen verarbeiten. Grundsätzlich können dabei alle herkömmlichen Verarbeitungstechnologien für klassische fossilbasierte Kunststoffe eingesetzt werden, wobei die Werkstoffeigenschaften der biobasierten Kunststoffe in den meisten Fällen eine spezifische Anpassung der Prozessparameter nötig machen.

Biopolymere wie Gelatine oder Chitosan können auch einfach funktionalisiert werden, um deren Eigenschaften an die jeweiligen Anwendungen anzupassen. Wir verwenden dabei chemische Vernetzungstechnologien zum Aufbau von gewebeähnlichen Hydrogelen. Durch die kontrollierte Vernetzung erhalten wir Hydrogele mit einstellbaren mechanischen und biologischen Eigenschaften. Hydrogele spielen für eine beträchtliche Anzahl von biotechnischen Entwicklungen oder Anwendungen in der Medizin eine Rolle, z. B. für Membranen, Implantate, Biosensoren oder das Tissue Engineering.

Am IGB arbeiten wir daran, Technologien zur Herstellung und Modifizierung von Biopolymeren zu verbessern und neue Polymerbausteine hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften wie auch einer wirtschaftlichen Herstellung zu testen, zu evaluieren und zu optimieren.

Verarbeitung

Parallel zur Entwicklung neuer biobasierter Materialien stellt sich für die industrielle und technische Anwendung die Frage der Kompatibilität mit traditionellen Techniken der werkstofflichen Verarbeitung. Erste grundlegende Untersuchungen zur Verarbeitung neuer biobasierter Kunststoffe und Materialien, beispielsweise mittels Extrusion und Spritzguss, sind integrierter Bestandteil unserer Entwicklungsarbeiten. Die Verarbeitung im Kleinst- und Kleinmaßstab dient dabei vor allem dazu, die Entwicklung neuer biobasierter Materialien nicht nur anwendungs- und eigenschaftsgetrieben, sondern auch unter dem Aspekt der Verarbeitbarkeit voranzutreiben.

Materialcharakterisierung und Testung

Zusätzlich zur Bewertung der Verarbeitungsparameter steht nachgeschaltet eine breite Methodenplattform zur genormten Prüfung und Analyse der neu entwickelten Werkstoffe bereit. Diese umfasst rheologische, dynamisch-mechanische und verschiedene thermische Analysen.

Neben der Materialcharakterisierung ist die Untersuchung der Materialien mit Blick auf gewünschte oder bekannte Wirkungen, z. B. antimikrobielle Eigenschaften, aber ebenso auch auf unerwartete nachteilige Auswirkungen auf den Menschen, die sowohl toxikologische als auch immunologische Aspekte betreffen, von Bedeutung. Hierzu stehen am IGB verschiedene zellbasierte Testsysteme zur Verfügung, die sich für eine Vielzahl von Testverfahren wie Bioaktivitäts-, Zytotoxizitäts- und Immunogenitätsprüfungen oder der Testung von antimikrobiellen Eigenschaften eignen.

Im Vergleich zu ethisch bedenklichen und nur bedingt übertragbaren Tierversuchen und in ihrer Aussage eingeschränkten biochemischen Testmethoden stellen diese zellbasierten Testsysteme als New Approach Methods (NAM) die In-vivo-Situation realitätsnah nach und ermöglichen die direkte Analyse einer Zellreaktion. Die Abteilung Zell- und Gewebetechnologien verfügt über ein breites Portfolio an spezifischen In-vitro-Modellsystemen, die von einfachen Zell-Assays mit hohem Durchsatz, über komplexe Organoid-Systeme bis zu makroskopischen komplexen 3D-Gewebemodellen reichen. Kerntechnologie ist die gezielte Entwicklung von zellbasierten Reportertestsystemen zur einfachen und schnellen Bestimmung spezifischer Endpunkte, beispielsweise Toxizität oder Sensibilisierung. 

Skalierung und Herstellung von Mustermengen

Ein essenzieller Schritt auf dem Weg vom Labor in die großtechnische Umsetzung ist die Herstellung von Mustermengen im Pilotmaßstab. Mit unserem Know-how, unserer Erfahrung und technischen Ausstattung sind wir am Fraunhofer IGB in der Lage, entwickelte Prozesse im Technikums- und Pilotmaßstab hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Effizienz zu optimieren und Produktmuster im Gramm- bis Kilogramm-Maßstab für Polymerisationen und Anwendungstests zur Verfügung zu stellen. Hierfür kommen auch die Pilotanlagen am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP, unserem Institutsteil in Leuna, zum Einsatz.

Ein Beispiel sind die Polyhydroxyalkanoate (PHA), die von einigen Bakterien als natürliche Speicherstoffe produziert und aus einer Vielzahl von Reststoffen hergestellt werden können. Die großtechnische Aufreinigung ist derzeit noch sehr kostenintensiv. Durch Selektion geeigneter Produktionsstämme und Etablierung einer neuen Prozessführungsstrategie ist es uns aktuell gelungen, ein qualitativ hochwertiges PHA-Copolymer mit einem 3-Hydroxyvaleratanteil von ca. 10 Prozent aus Abfallströmen zu gewinnen.

End-of-Life-Szenarios: Kreislaufführung und Bioabbaubarkeit

Um eine maximale Kreislaufführung des Kohlenstoffs zu erreichen und den Bedarf an fossilem Kohlenstoff zu minimieren, ist unser Ziel, neue Wertschöpfungsprozesse in bestehende und zukünftige Stoffkreisläufe zu integrieren. Hierzu gehört auch die Lebenszyklus-Analyse (LCA).

Nach der Nutzung des Bauteils, am Ende seines Produktlebenszyklus, sollte das Material durch einen Recyclingschritt wieder in den Wertschöpfungskreislauf zurückgeführt werden. Hierfür kommen je nach Biokunststoff verschiedene Wege in Frage: Im Fall des werkstofflichen Recyclings wird das Polymer direkt wiedergewonnen, beim chemischen Recycling wird es zunächst in kleine Bausteine gespalten, die dann erneut für eine Polymerisation genutzt werden können, womit sich der Kreislauf schließt.

Viele biobasierte Kunststoffe wie Stärke, PHA und PLA sind zudem bioabbaubar. Über den Weg des biologischen Abbaus gehen sie in Form von CO₂ wieder zurück in den Kohlenstoffkreislauf, ohne dass sie zu einer Vermüllung der Biosphäre beitragen. Der direkt und bewusst gesteuerte Weg des Bioabbaus als Lebensende-Szenario ist allerdings nur für solche Produktkategorien vorzusehen, bei denen eine Emission in die Umwelt nicht vermeidbar (z. B. verschiedene Produkte wie Mulchfolien in der Landwirtschaft oder »flüssiges« Plastik bspw. in Kosmetika) oder in denen Wiederverwendung und Recycling nicht praktikabel sind.

Kunststoffe werden vielfach noch synthetisch auf Erdölbasis hergestellt. Werden sie am Ende ihrer Nutzung durch Verbrennung entsorgt, geht dies mit hohen CO₂-Emissionen einher. So ist aufgrund der Klimakrise die Nutzung klimafreundlicher Ressourcen dringend erforderlich. Biobasierte Kunststoffe stellen in diesem Kontext eine nachhaltige Alternative dar: Sie helfen, Klima- und Ressourcenschutzziele zu erreichen, aber auch die Abhängigkeit von ausländischen Produktionsquellen zu verringern und die Resilienz von Wertschöpfungsketten zu erhöhen.

Darüber hinaus sind Umweltaspekte wie die Verschmutzung der Weltmeere durch Plastik ein dringendes Problem unserer Zeit. So ist die biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen ein wichtiger Faktor, vor allem dann, wenn Kunststoffe für den direkten Einsatz in der Umwelt benötigt werden (z. B. in der Landwirtschaft genutzte Folien). Die Biokompatibilität von Kunststoffen spielt bei medizinischen und kosmetischen Anwendungen eine bedeutende Rolle.

Das Fraunhofer IGB trägt entscheidend zur Entwicklung neuartiger Kunststoffe auf biologischer Basis bei. Unser Angebot lässt sich in drei Polymer-Typen unterteilen: Polymere aus biobasierten Monomeren, mikrobiell hergestellte Biopolymere sowie andere native Biopolymere. In den folgenden Abschnitten sollen einige Beispiele aus unserem Institut aufgezeigt und die konkreten Endprodukte und Anwendungsmöglichkeiten dargestellt werden.

Für die Herstellung von biobasierten Polymeren bedarf es zunächst der nächstkleineren Bauteile, den Monomeren. Diese kann das Fraunhofer IGB biotechnologisch mittels Fermentation produzieren – auch aus Rest- und Abfallströmen, ganz im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft, wie sie vom IGB angestrebt wird. Im nächsten Schritt werden die Monomere – je nach genutztem Verfahren – chemisch oder biologisch polymerisiert. 

Biobasierte Hydroxy- und Dicarbonsäuren als Monomerbausteine für Biokunststoffe

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 (lcDCA) 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.

Ebenso befassen wir uns, gemeinsam mit Projektpartnern, mit der fermentativen Herstellung von enantiomerenreiner Äpfelsäure, der weiteren Aufreinigung sowie der anschließenden Herstellung der Polymere. Homopolymere der racemischen Äpfelsäure sind wasserlöslich, biokompatibel und biologisch abbaubar, aber gleichzeitig hart und spröde. Im Projekt Malum konnten durch Funktionalisierung oder Copolymerisation von Äpfelsäure 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.

Polymere aus biobasierten Furanoaten als Ersatz für PET

Ein sehr weit verbreiteter Kunststoff ist PET: Polyethylenterephthalat. Dieser auf fossiler oder teilbiobasierter Basis hergestellte Kunststoff wird unter anderem in großen Mengen zur Herstellung von Verpackungsmaterialien verwendet. So ist beispielsweise die Bezeichnung »PET-Flasche« der breiten Öffentlichkeit bekannt. Deswegen rückt PET auch in den Fokus der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IGB. Am Institut forschen sie daran, einen biobasierten PET-Ersatz zu erschließen: Polyethylenfuranoat (PEF), aufgebaut aus biobasiertem Ethylenglycol und Furandicarbonsäure (FDCA). PEF kann als Verpackungsmaterial, aber auch als biobasierte Fasern eingesetzt werden. Die FDCA-Produktion ist dabei besonders nachhaltig, denn sie erfolgt mithilfe von land- und forstwirtschaftlichen Abfällen. In den Projekten »PFIFF / PFIFFIG – Polymere Fasern aus biobasierten Furanoaten für industrielle Anwendungen« konnte das IGB dieses Herstellungsverfahren für den Einsatz im großen Maßstab in der Industrie weiterentwickeln.

Monomerbaustein langkettige Dicarbonsäuren (lcDCA) und pflanzenölbasierte Epoxide

Ein weiterer natürlicher Ausgangsstoff für die Kunststoffproduktion, der am IGB untersucht wird, sind Pflanzenöle. Diese enthalten bi- und polyfunktionelle Synthesebausteine. So lassen sich die Öle und Pflanzenölderivate durch eine entsprechende Funktionalisierung zu interessanten Monomerbausteinen wie langkettige Dicarbonsäuren (lcDCA) oder pflanzenölbasierte Epoxide umsetzen.

Die langkettigen Dicarbonsäuren dienen als biobasierte Alternative zur Herstellung von Kunststoffen, die üblicherweise auf Basis von Stärke, Cellulose und Polymilchsäure (PLA) produziert werden. Sie finden beispielsweise Anwendung bei der Herstellung von Polyamiden und Polyestern. Pflanzenölbasierte Epoxide lassen sich dagegen als PVC-Stabilisatoren, Weichmacher, zur Synthese von biobasierten Harzen und Beschichtungen oder nach weiterer Umsetzung als Bestandteile von Schmierstoffformulierungen einsetzen.

Für die biotechnologische Polymerherstellung greifen die Forschenden des IGB auch auf die Hilfe von Mikroorganismen zurück. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Produktion von Polyhydroxyalkanoaten, kurz PHA. Das sind Speicherpolymere von Bakterien, die diese unter bestimmten Bedingungen – konkret: Nährstoffmangel und Kohlenstoffüberschuss – erzeugen. 

Polyhydroxyalkanoate – diverse PHA-Variationen verfügbar

Der große Vorteil der mikrobiellen Synthese von PHA: Es gibt zahlreiche Stellschrauben innerhalb des Prozesses, um die hergestellten Biopolymere mit spezifisch gewünschten thermischen und mechanischen Eigenschaften auszustatten. Das wäre einerseits die enorme Bandbreite an Mikroorganismen und Substraten, die sich miteinander kombinieren lassen. Anderseits bietet auch der Bioprozess selbst einige Optimierungsmöglichkeiten.

So lässt sich die genaue Zusammensetzung der PHA variieren. Unabhängig davon haben alle PHA gemein, dass sie sich durch eine hohe Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit auszeichnen. Das macht sie zu einer idealen Ausgangsbasis zur Herstellung von Verpackungen (z. B. Einweg-Plastikflaschen im Non-Food-Bereich), medizinischen Implantaten oder Folien für den Einsatz in der Landwirtschaft.

Das Fraunhofer IGB verfügt über die Expertise und langjährige Erfahrung zur Gewinnung von PHA. Das Institut kann somit Varianten von PHA und seiner Copolymere PHBVV (Poly-3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat-co-4-hydroxyvalerat) mit unterschiedlichem Valeratgehalt herstellen − je nach den Anforderungen für den jeweiligen Anwendungszweck. Dazu verwenden die Forschenden des IGB auch nachhaltige Substrate für die Mikroorganismen aus Rest- und Abfallströmen wie etwa Altspeiseöl, Carbonsäuren aus der Abwasserreinigung oder Rohglycerin. Die Herstellung größerer Mustermengen erfolgt dabei auch an unserem Institutsteil in Leuna, dem Fraunhofer CBP.

EFRE-Progamm: Baden-Württemberg und EU fördern Aufbau von Bioraffinerien

Eine zentrale Bedeutung haben hier auch die Bioraffinerie-Projekte des IGB. In Bioraffinerien wird Biomasse umgewandelt und somit als Rohstoff erschlossen. Gleich fünf solcher Vorhaben hat das Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg mit Fördermitteln der EU aus dem EFRE-Programm »Bioökonomie – Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser – Bio-Ab-Cycling« gefördert. In zwei dieser Vorhaben wird auch PHA gewonnen. Im Projekt »KoalAplan« wurde dafür kommunales Abwasser in Kläranlagen verwendet, im Vorhaben »BW2Pro – Biowaste to Products« hat das IGB Bioabfälle zur Weiterverwertung zu biologisch abbaubaren Biokunststoffen genutzt. 

Polymere kommen auch ganz natürlich in der Umwelt vor. Beispiele hier sind Pflanzenbestandteile wie Lignocellulose, aus der sich Lignin und Cellulose gewinnen lassen, aber auch Stoffe tierischen oder fungalen Ursprungs, etwa Chitin bzw. das Folgeprodukt Chitosan, das wir aus Krabbenschalen, Insektenexuvien oder Reststoffströmen der industriellen Fermentation gewinnen.

Ebenso arbeiten wir am Fraunhofer IGB an der Erschließung von Proteinen als Rohstoff für technische Produkte, beispielsweise der Nutzung tierischer Protein-Reststoffe (Federn, Wolle) oder von Insektenprotein, das mittels unserer Insektenbioraffinerie aus Bioabfällen gewonnen wird.

Lignocellulose – Reststoff aus verholzten Pflanzen

Lignocellulose ist das Strukturmaterial in der Zellwand aller holzigen Pflanzen und Hauptbestandteil von Reststoffen wie Stroh oder Holz – und damit in großem Maßstab verfügbar, etwa aus der Land- und Forstwirtschaft. Am IGB wird es via Fraktionierung in seine Bestandteile Cellulose (C6-Zucker), Hemicellulose (C5-Zucker) und Lignin (aromatische Verbindungen) aufgespalten – wesentliche Voraussetzung für eine vollständige und hochwertige stoffliche Nutzung als nachwachsendem Chemierohstoff. Am Fraunhofer CBP in Leuna steht hierzu eine Pilotanlage zur Verfügung, mit der bis zu 70 Kilogramm Holz pro Tag verarbeitet werden können.

Aus Cellulose wird beispielsweise durch enzymatische Hydrolyse Glukose gewonnen. Diese kann als Substrat für vielfältige Fermentationen eingesetzt werden und so derzeit vor allem eingesetzte höherwertige Rohstoffquellen wie Zuckerrohr oder Stärke ersetzen. Während der Fermentation verstoffwechseln Mikroorganismen, wie Bakterien oder Pilze, diese Kohlenstoffverbindungen und wandeln sie einerseits in Biomasse um, aber auch in eine Vielzahl von Chemikalien, wie z. B. Ethanol, Bernsteinsäure, Butandiol oder auch Milchsäure, welche dann weiter zu Polymeren wie Bio-Polyethylen (Bio-PE), Polybutylensuccinat (PBS) oder Polymilchsäure (PLA) verarbeitet werden können. Polymere wie Polyhydroxybuttersäure (PHB) lassen sich auch direkt fermentativ aus Zucker gewinnen (siehe oben: Mikrobielle Biopolymere).

Grundbausteine des Lignins bilden substituierte Phenole, vor allem Guaiacol, Syringol und p-Hydroxyphenol, deren Anteil je nach Holzart variiert. Am Fraunhofer CBP untersuchen und skalieren wir verschiedene Verfahren zur Modifikation und Depolymerisation von Lignin, welche die Struktur und Funktionalität von Lignin erhalten oder steigern. So werden neue, bisher nicht zugängliche aromatische Strukturen mit neuen Funktionalitäten und damit einem neuen Leistungsspektrum identifiziert, die in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt werden können: von der Herstellung von Fasern und faserverstärkten Kunststoffen, über den Einsatz als Epoxid-/Phenolharze oder Holzschutzlasur bis zu Polyurethan-Hartschäumen.

Chitin: Rohstoff zur Herstellung von Chitosan

Chitin ist nach Lignocellulose das zweithäufigste Biopolymer der Welt und wird beispielsweise von Pilzen, Insekten und Krabben als strukturelle Komponente gebildet. Um Chitin zu Chitosan umzuwandeln, muss es zunächst einmal isoliert und mit unterschiedlichen Verfahren aufgereinigt werden. Auch hier verleiht die hohe Bioverfügbarkeit der Ressource ein enormes Potenzial als nachwachsender Rohstoff. Eine vielversprechende vegane Quelle ist pilzliche Biomasse aus großskaligen Fermentationsprozessen. Die Verwertung von Insekten-Chitin wurde am IGB im Rahmen des EFRE-Projekts »InBiRa – die Insektenbioraffinerie« genauer untersucht. Chitosan findet nicht nur Verwendung in der Textilindustrie, beispielsweise zum Schutz des Garns beim Weben, sondern kann etwa auch als biobasiertes Flockungsmittel für die Aufbereitung komplexer Abwässer genutzt werden.

Durch chemische Modifizierung von Chitosan können zusätzliche Eigenschaften erzeugt werden, z. B. wasserabweisende Eigenschaften für Textilveredlungen. Die Anwendungen sind sehr vielfältig und reichen von der Verkapselung von Wirkstoffen, Beschichtungen für Medizinprodukte, Biosensorik, Diagnostik bis hin zu Kosmetik.

Wertvolles Protein: Keratin aus Vogelfedern

Eine weitere natürliche Ressource sind Federn, die bei der Geflügelfleischproduktion als Nebenprodukt anfallen. Der größte Anteil dieser Federn wird bislang zu Tiermehl verarbeitet oder als Abfall entsorgt. Doch auch dieses Material lässt sich nachhaltig nutzen: Das in den Federn enthaltene Keratin, ein wasserunlösliches Strukturprotein, wurde am IGB im Projekt »KERAbond − Spezialchemikalien aus maßgeschneiderten funktionalen Keratin-Proteinen« als Ausgangsmaterial für die Isolierung von polythiolhaltigen Peptiden erforscht. Mögliche Anwendungen werden in der Herstellung von Klebstoffen und Spezialchemikalien zur Oberflächenbehandlung gesehen.

Durch die Nutzung von Proteinen wie bspw. Federn lassen sich enzymresponsive Fragmente in Materialien einbringen, die prinzipiell auch neue Recyclingstrategien erlauben. Hierdurch werden die intrinsischen Eigenschaften der natürlichen Polyamide genutzt, die so durch fossil-basierte Ansätze nicht einfach möglich wären.

Modifizierte Biopolymere und Hydrogele für die Life Sciences

Insgesamt liegt der Fokus der Polymer-Forschung am IGB auf der Herstellung von biobasierten Kunststoffen, aber auch im Gesundheitsbereich gibt es Anwendungsmöglichkeiten für native Polymere, etwa in Form von Hydrogelen, die als Gewebematrix oder für Freisetzungssysteme für Wirkstoffe verwendet werden können. Bei Hydrogelen handelt es sich um wasserenthaltende und gleichzeitig wasserunlösliche Polymere. Geeignete natürliche Ausgangsstoffe für solche Gele sind z. B. Gelatine, Alginate oder Chitosan.

Durch chemische Modifizierung passen wir Biopolymere wie Gelatine, Chitosan, Inulin oder Hyaluronsäure gezielt an die je nach Einsatzgebiet unterschiedlichen Bedürfnisse an. Durch das Anbringen verschiedenster chemischer Funktionen (z. B. Methacrylgruppen, Thiolgruppen und Benzophenone) können wir Eigenschaften wie die Viskosität, die Löslichkeit oder auch die Ladung des Biopolymers zielführend verändern. Mit vernetzbaren oder hydrophoben Gruppen etwa erzeugen wir stabilere und unlöslichere Systeme, beispielweise für die Verkapselung von Wirkstoffen, oder für funktionelle wasserabweisende Beschichtungen. Auch für 3D‑Druckverfahren ist die Modifizierung von Biopolymeren interessant, da hierdurch unter anderem die Viskosität temperaturunabhängig angepasst werden kann.