Biopolymere. Polymere aus der Natur

Inhalt

1. Einführung
1.1. Standpunkte zu Biopolymeren
1.2. Wissenschaftliche Aspekte
1.2.1. Prüfverfahren zur biologischen Abbaubarkeit
1.3. Eigenschaften von BAK

2. Der Bioabbau
2.1. Der Prozess des Bioabbaus
2.1.1. Biologischer Abbau
2.1.2. Weitere Definitionen
2.2. Schlüsselelemente des Bioabbaus

3. Nachwachsende Rohstoffe (Biopolymere)
3.1. Vorteile beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen
3.2. Nachteile beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen

4. Verschiedene Biopolymere
4.1. Polysaccharide
4.1.1. Monosaccharide
4.1.2. Cellulose
4.1.2.1. Herstellung von Cellulose
4.1.2.2. Biologischer Abbau von Cellulose
4.1.3. Stärke
4.1.3.1. Herstellung/Verwendung von Stärke
4.1.3.2. Weitere Anwendungen/Arten von Stärke
4.1.3.3. Biologische Abbaubarkeit von Stärke/Cellulose (Glucose)
4.1.4. Chitin/Chitosan
4.1.4.1. Herstellung Chitin/Chitosan
4.1.4.2. Abbaubarkeit von Chitin/Chitosan
4.1.4.3. Verwendung von Chitin/Chitosan
4.1.5. Pullulan
4.2. Proteine
4.2.1. Polymere tierischen Ursprungs
4.2.1.1. Casein Kunststoffe
4.2.1.2. Seide
4.2.2. Polymere pflanzlichen Ursprungs
4.2.3. Polyglutaminsäure
4.3. Polyester
4.3.1. Polyhydroxyfettsäuren (PHF)
4.3.1.1. Herstellung der PHB
4.3.1.2. Eigenschaften der PHB
4.3.1.3. Biologischer Abbau von PHB
4.3.2. Polymilchsäure (Polyactid, PLA)
4.3.2.1. Herstellung von PHL
4.3.3. Eigenschaften der PLA
4.3.3.1. Biologischer Abbau von PLA
4.4. Polyisoprene
4.4.1.1. Verarbeitung von Polyisoprenen
4.4.1.2. Verwendung von Polyisoprenen
4.4.1.3. Biologischer Abbau von Polyisoprenen

5. Trends, Ideen und Zukunftsmusik
5.1. Stand der Dinge
5.2. Zukunftsmusik

6. Literaturverzeichnis

7. Abbildungs und Folienverzeichnis

8. Danksagung

1. Einführung

In den letzten Jahren haben polymere Werk- und Hilfsstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eine zunehmende Bedeutung auf ausgewählten Anwendungsgebieten erfahren. Die nahe liegenden Vorteile der Schonung petrochemischer Ressourcen und der Verminderung des Abfallaufkommens verbinden sich jedoch immer deutlicher mit eigenschaftsbezogenen Zielstellungen, wie z.B. der Herstellung von biologisch abbaubaren Werkstoffen. [Lit.1]

Definition Biopolymere

Biopolymere sind Kunststoffe basierend auf Rohstoffen aus der Natur. Sie können, müssen aber nicht biologisch abbaubar sein.

Bezüglich der Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren spielt darüber hinaus die Reduzierung toxischer oder allergener Einsatz- und Zwischenprodukte als Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren eine zunehmende Rolle (z.B. in der Medizintechnik). [Lit.1]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1- Systematik der Biologisch abbaubaren Polymere

1.1. Standpunkte zu Biopolymeren

Obwohl es bereits verschiedene markteingeführte Produkte gibt und erste Schritte von gesetzgeberischer Seite getan wurden, sind die Standpunkte zu den biologisch abbaubaren Kunststoffen oftmals differenziert. Bei repräsentativen Umfragen konnte ermittelt werden, dass das Wissen um diese neuen Materialien und damit deren Akzeptanz in breiteren Schichten der Bevölkerung noch unzureichend sind.

Erfreulicherweise stehen Jugendliche dem Thema unvoreingenommener gegenüber. Sie und auch andere Befürworter dieser Entwicklung stützen sich auf die folgenden Argumente:

- Verknappung petrochemischer Ressourcen. (Jährliche Steigerungsrate der Produktion abbaubarer Kunststoffe im Zeitraum von 1995 bis 2000 beträgt ~18%)
- Biologisch abbaubare Kunststoffe treten in den normalen geochemischen Kreislauf ein und sind deshalb CO2-neutral. Sie sind oft aus nachwachsenden Rohstoffen abgeleitet.
- EU- und US-Richtlininen legen bereits die folgende, allgemein akzeptierte Hierarchie zur Kunststoffabfallvermeindung fest, die eine Deponierung als letztmögliche Variante vorsieht:

1. Verminderung
2. Wiederverwendung
3. Recycling/Kompost
4. Verbrennung
5. Deponie

1.2. Wissenschaftliche Aspekte

Auch hier gibt es nicht nur einheitliche Standpunkte, da die wissenschaftliche Bearbeitung dieser Stoffgruppe relativ jung ist und die Ergebnisse auch unter verschiedenen politischen und unternehmensstrategischen Gesichtspunkten betrachtet werden müssen. Die positiven Argumente lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

- Bioabbaubare Kunststoffe verfügen über adäquate Verarbeitungs- und Materialeigenschaften und können deshalb mit den in der Kunststoffverarbeitung üblichen Maschinen verarbeitet werden.
- Sie besitzen eine ausreichende Stabilität während der Lagerung und des Gebrauchs und zerfallen nach Ablauf der Gebrauchsdauer unter entsprechenden Umgebungsbedingungen. Für die Entsorgung bedarf es lediglich der Entwicklung brauchbarer und flächendeckender Entsorgungswege (Kompostierung, Abwasserbehandlung).
- Unter den synthetischen Kunststoffen sind hauptsächlich die aliphatischen Polyester bioabbaubar. Generell gut abbaubar sind Polymere mit einer ausreichenden Verteilung folgender chemischer Gruppierungen:

1. Acetalbindungen (wie Stärke und Cellulose)
2. Amidbindungen (wie Peptiden und Proteinen)
3. Esterbindungen (wie in Polyhydroxyfettsäuren)

- Weiterhin abbaufördernd sind folgende Faktoren:

1. Niedrige Molmasse
2. Geringe Kristallinität
3. Hydrophilie

1.2.1.Prüfverfahren zur biologischen Abbaubarkeit

Die derzeit am häufigsten verwendete Norm zur Prüfung der biologischen Abbaubarkeit von Kunststoffen ist die Vornorm DIN 54 900 erschienen 1998.

1.3. Eigenschaften von BAK

Biologisch abbaubare Kunststoffe (BAK) mit technischer Anwendung gibt es bereits seit einigen Jahren, der erste BAK wurde noch vor 1900 hergestellt.

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Abb. 2 - Zug- und Reißfestigkeit von Folien

Dabei zeigt sich eine Überlegenheit der konventionellen Kunststoffe bezüglich der Zugfestigkeiten an den Beispielen PET und OPP. Andererseits liegen PHB/HV und PCL in diesen Werten noch über denen von LDPE und PVC hart. In der Reißdehnung ist PCL mit PA 6 vergleichbar, und selbst PHB/HV liegt im Bereicht der Messwerte für PET.

2. Der Bioabbau

2.1. Der Prozess des Bioabbaus

Dabei sind extrazelluläre Enzyme verantwortlich für die Reaktionen außerhalb der Zelle. Die Wirkungsweise kann in endo (zufällige Spaltung in der Hauptkette der Polymeren) und exo (Spaltung endständiger Monomereinheiten) eingeteilt werden. Infolge der enzymatischen Wirkung werden genügend kleine Oligomerfragmente gebildet und in die Zelle transportiert, wo sie mineralisiert werden.

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Abb. 3 - Der Bioabbau eines polymeren Materials

Die Zelle gewinnt Energie, und es entstehen gasförmige Produkte (CO2, CH4, N2), Wasser, Salze, Minerale und Biomasse. Insgesamt variieren die Reaktionen und deren Geschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Polymer, den Mikroorganismen und den Umgebungsbedingungen. In vielen Fällen ist der 1. Reaktionsschritt reversibel, und es werden Huminstoffe gebildet.

2.1.1.Biologischer Abbau

Da sehr viele Quellen für die Ansicht des „biologischen Abbaus“ existieren wurde zusammenfassend folgende Definition daraus abgeleitet:

Definition „Biologischer Abbau“

Bioabbau ist ein durch biologische Aktivität verursachter Vorgang, der unter Veränderung der chemischen Struktur eines Werkstoffes zu natürlich vorkommenden Stoffwechsel- Endprodukten führt. Ein Kunststoff ist bioabbaubar, wenn alle organischen Bestandteile einem vollständigen Bioabbau unterliegen. Die Umgebungsbedingungen und die Geschwindigkeit des Bioabbaus müssen in standardisierten Testverfahren bestimmt werden.

2.1.2. Weitere Definitionen

Abbaubarer Kunststoff: Ein Kunststoff, der so entwickelt wurde, dass er eine deutliche Veränderung seiner chemischen Struktur unter spezifischen Umweltbedingungen erfährt, die zu einem Verlust spezifischer Eigenschaften führt.

Bioabbaubarer Kunststoff: Ein abbaubarer Kunststoff, bei dem der Abbau aus der Wirkung von natürlich vorkommenden Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Algen) resultiert.

Bioabbaubar: Eigenschaft eines Produktes, das durch Mikroorganismen in natürliche Bestandteile, wie Wasser und CO2, gespalten werden kann.

2.2. Schlüsselelemente des Bioabbaus

Für den vollständigen Bioabbau eines polymeren Materials sind drei Schlüsselelemente erforderlich. Fehlt eines dieser Elemente, dann findet kein Bioabbau statt. Beispiele dafür sind Proben von Zeitungen oder Lebensmitteln, die nach langjährigen Lagerungen in der Erde oder in Deponien noch fast vollständig erhalten waren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 - Schlüsselelemente des Bioabbaus

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