Innovationspfad 3: Herstellung und Optimierung biobasierter Kunst-, Kleb- und Verbundwerkstoffe

Die dargestellte Produktion von biobasierten Grundstoffen und Plattformchemikalien zu marktgerechten Preisen ist ein wesentlicher erster Entwicklungsschritt für die Bereitstellung nachhaltiger biobasierter Produkte. Die Substitution etablierter und zudem aktuell vergleichsweise kostengünstiger erdölbasierter Kunst-, Kleb- und Verbundwerkstoffe erfordert allerdings weitergehende Entwicklungen in der biologischen und chemischen Synthese, Kunststofftechnik und Werkstoffoptimierung. Die Entwicklung und technische Optimierung leistungsfähiger biobasierter Kunst- und Klebstoffe mit breiten Einsatzspektrum ist daher, neben der Bereitstellung der zugrundeliegenden Basis- und Plattformchemikalien, der Kernbereich des Waste2Value Projektes.

Um die häufig hohen Anforderungen an die Werkstoff- und Materialeigenschaften in wichtigen Zielbranchen (z.B. Verpackung, Schuh & Textil, Automotive) zu erfüllen, sind umfangreiche F&E Aktivitäten bei der Optimierung, Modifizierung und Additivierung biobasierter Polymere notwendig. Gleichzeitig müssen konkurrenzfähige Kostenstrukturen bei der Produktion etabliert werden, um mittelfristig relevante Absatzmengen und Marktvolumina zu erreichen. In zahlreichen Fokusgruppendiskussionen mit Vertretern der regionalen Kunststoff- und Klebstoffindustrie haben sich bereits verschiedene konkrete Entwicklungsziele und mögliche Projektbündnisse herausgebildet.

Die Identifizierung aussichtsreicher Biopolymere für verschiedene Anwendungen sowie deren Modifizierung und Optimierung sind zentrale F&E Aufgaben, die in verschiedenen Projekten durchgeführt werden. Neben anderen Biopolymeren ist PBS (Polybutylensuccinat) ein aussichtreicher Kandidat für verschiedene Anwendungen. Das thermoplastische Biopolymer weist ein ähnliches Eigenschaftsprofil auf wie Polypropylen und verfügt über ein breites Einsatzspektrum. Die notwendigen Polymerbausteine Bernsteinsäure und Butandiol können fermentativ aus verschiedenen Reststoffen gewonnen werden.

Durch die kostengünstige reststoffbasierte Produktion der Monomere können die derzeit noch hohen Produktionskosten bei PBS deutlich gesenkt und die Basis für neue Anwendungsfelder geschaffen werden. Weitere attraktive biobasierte und teilbiobasierte Zielprodukte für Anwendungen im Bereich technische Kunststoffe, Verpackungen und Textilien sind u.a. PTT (Polytrimethylenterephthalat), PBAS (Polybutylensuccinat-Adipat) und PEF (Polyethylen-furanoat). Ein gemeinsames Merkmal ist, dass sich auch hier wesentliche Grundbausteine (1,4 Butandiol, 1,3 Propandiol, Bernsteinsäure, HMF) aus verzuckerten Reststoffbiomassen herstellen lassen. Dies gilt ebenso für das schon weit verbreitete PLA (Polymilchsäure) sowie verschieden PHAs (Polyhydroxyalkanoate wie z.B. Polyhydroxybuttersäure – PHB), vielversprechende Kandidaten für das Thema biokompatible Materialien (Orthopädie, Medizin). Die anwendungsspezifische Modifizierung und Optimierung über gezielte Compoundierstrategien und innovative Additivierung sind weitere Kernelemente verschiedener geplanter Verbundprojekte.

Ein weiterer innovativer Ansatz zur Biopolymerherstellung ist die phototrophe Fermentation mittels Mikroalgen, die aus Sonnenlicht, rezykliertem CO2 (z.B. aus Biogasproduktion und Verbrennung) sowie nährstoffreichem Produktionsabwasser Biomasse und Wertstoffe erzeugen kann. Die produzierten Stoffe können den anderen wieder Innovationspfaden zugeführt werden, insbesondere als Biokunststoffe (Innovationspfad 3 – z.B. PHA, vorwiegend PHB), als Wirkstoffe (Innovationspfad 2 – z.B. Carotinoide, Phycobiline, Polysaccharide), und nach Extraktion als verbleibende Rest-Biomasse (Innovationspfad 1). Abwärme kann für eine ganzjährige Temperierung der Fermentationsprozesse sowie Trocknung und Reaktorsterilisation genutzt werden.

Durch die Kombination von extremophilen terrestrischen Cyanobakterien als immobilisierte Biofilme und neuartigen, an-Luft-geführten (emersen) Photobioreaktoren (ePBR) können wesentliche innovatorische Hemmnisse der Algen- und Mikroorganismen-basierten Wert- und Wirkstoffproduktion auf Basis submerser Systeme (niedrige Biomasse- und Zielproduktkonzentrationen) überwunden werden.

Projektbeispiel

Innovationspfad 3:

Prozessschema der Produktion von PBS auf Basis von Stroh und Teigresten.

Prozessschema der Produktion von PBS auf Basis von Stroh und Teigresten

Projektbeispiel

Innovationspfad 3:

Prozessschema zur Gewinnung von Wertstoffen aus Algen mittels Zero-Waste Prinzip.

Prozessschema zur Gewinnung von Wertstoffen aus Algen mittels Zero-Waste Prinzip.