Nachhaltige Kunststoffe aus natürlichen Quellen

Die „Weiße Biotechnologie“, auch bekannt als industrielle Biotechnologie, beschreibt die Produktion von organischen Chemikalien und/oder Wirkstoffen mit Hilfe von optimierten Mikroorganismen (Hefe oder Bakterien) und/oder Enzymen. Sie bietet eine Vielzahl von Vorteilen, da sie Wissenschaftlern die Entwicklung nachhaltiger und effizienter Lösungen für diverse Industriezweige ermöglicht, wie z. B. die Herstellung umweltfreundlicher Biokraftstoffe, Biokunststoffe und Chemikalien auf biologischer Basis, die unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und deren Umweltauswirkungen minimieren.

Darüber hinaus ermöglicht die industrielle Biotechnologie die Entwicklung effizienterer und kostengünstigerer Herstellungsverfahren, die zu einer Verringerung des Energiekonsums, der Abfallmenge und des Ressourcenverbrauchs insgesamt führen. Durch seine innovativen Anwendungen birgt dieser Bereich das Potenzial, den Übergang zu einer grüneren, nachhaltigeren Wirtschaft voranzutreiben, globale Herausforderungen zu bewältigen und gleichzeitig den technologischen Fortschritt zu fördern.

Die industrielle Biotechnologie trägt auch zur Entwicklung von sichereren und gesünderen Verbraucherprodukten bei. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Herstellung von Enzymen für Waschmittel, Textilien und die Lebensmittelverarbeitung, wodurch die Effizienz dieser Prozesse gesteigert und gleichzeitig der Bedarf an aggressiven Chemikalien minimiert wird.

GEA ist seit jeher an innovativen neuen Methoden interessiert, insbesondere wenn sie dazu beitragen, Ressourcen zu schonen und eine umweltfreundliche Produktion von Alternativen zu herkömmlichen chemischen Produkten auf Erdölbasis zu ermöglichen. Diese neue Technologie überzeugte von Anfang an und wurde zum Gegenstand lebhafter Diskussionen auf Kongressen, bei der Erarbeitung von abteilungsübergreifendem Fachwissen und natürlich im unternehmenseigenen F&E-Zentrum, wo neue Theorien getestet und umgesetzt werden.

Den Schwerpunkt bildeten hierbei Chemikalien auf biologischer Basis und die Bioraffinerie: Verfahren, die mit Hilfe von Mikroorganismen natürliche, nachwachsende Rohstoffe wie Stärke, Zucker, Zellulose und Abfallbiomasse in eine Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten umwandeln. Von besonderem Interesse waren die Biopolymere. Zur Verdeutlichung: Während herkömmliche Polymere alle Klassen natürlicher oder synthetischer Stoffe umfassen, die aus sehr großen Makromolekülen bestehen, werden ihre „Bio“-Vettern entweder chemisch aus einem biologischen Material synthetisiert oder vollständig von lebenden Organismen biosynthetisiert. Diese umweltfreundlichen Ersatzstoffe für erdölbasierte Polymere können u. a. zur Herstellung nachhaltiger Kunststoffe verwendet werden. 

Kunststoff: Ja. Erdöl: Nein!

Biopolymere werden immer aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen. Doch ist dieser Begriff zweideutig. Einerseits werden sie verwendet, um neuartige Stoffe herzustellen, die vollständig biologisch abbaubar sind. Dies ist bei Verpackungen für Speisen zum Mitnehmen oder für Versandtaschen von Online-Händlern überaus wünschenswert. Andererseits müssen Produkte wie z. B. Autoarmaturen möglichst lange robust, zuverlässig und widerstandsfähig bleiben. Und auch das ist mit Biopolymeren möglich: Aus ihnen lassen sich Kunststoffe herstellen, die nicht nur langlebig sind, sondern auch die gleichen Sicherheitsstandards erfüllen wie solche aus erdölbasierten Polymeren. Ein weiterer Vorteil von Biopolymeren besteht darin, dass vorhandene Produktionsverfahren leicht angepasst werden können, um sie herzustellen. Der Lebens- und Futtermittelsektor befasst sich seit langem mit der Herstellung und Nutzung von Aminosäuren. Lysin zum Beispiel wird als Futtermittel für Nutztiere verwendet. Es reduziert den Verbrauch von Soja, Fischmehl und Weizen und führt zu einer ausgewogenen Tierernährung. Durch enzymatische Umwandlungsprozesse können Aminosäuren wie Lysin zu Biopolymeren verknüpft werden, die dann zur Herstellung von Nylon anstelle von Futtermitteln verwendet werden können.

Natürliche Kraftwerke: Bakterien

Auch der Prozess, in dem Biopolymere hergestellt werden, ist natürlich. „Das erledigen Mikroorganismen für uns“, erklärt Produktvertriebsleiter Jens Bühring, ein Experte auf dem Gebiet der zentrifugalen Abscheidungstechnologien. „In einem so genannten Fermenter (Gärtank) werden die Mikroorganismen zunächst mit Zucker oder Stärke gefüttert und produzieren dann die gewünschten Zwischenprodukte oder manchmal sogar fertige Polymere.“

Sein Kollege Burkhard Schiemann, ebenfalls Experte für Abscheidungstechnologien, ergänzt: „Um unsere Bakterien zur Produktion von Biopolymeren zu motivieren, sorgen wir zunächst für ideale Umweltbedingungen. Das heißt, wir füttern sie mit Sauerstoff, Zucker und Mineralien an. Die Bakterien fühlen sich dann wohl und vermehren sich. Sobald sich genügend Organismen im Fermenter befinden, ändern wir diese allzu positiven Bedingungen, indem wir den Zucker aus dem Wachstumsmedium entfernen oder den pH-Wert ihrer Umgebung verändern.“

Dadurch geraten die Bakterien in Stress: Sie merken, dass sich etwas verändert hat und dass jetzt wahrscheinlich „schlechte Zeiten“ auf sie zukommen. Als Bewältigungsmechanismus lagern die Organismen bestimmte Stoffe ein. Das können zum Beispiel Polymere sein. „Für die Bakterien ist es ein Notvorrat, um sich auf das Kommende vorzubereiten; für uns eine wertvolle, vielseitige chemische Verbindung, die hochinteressant ist“, ergänzt Burkhard. 

Volle Zentrifugalkraft: für mehr Nachhaltigkeit

Um natürlich hergestellte Polymere in ein wettbewerbsfähiges Produkt zu verwandeln, greifen Unternehmen häufig auf die Abscheidungstechnologien von GEA zurück. „Bei der wirtschaftlichen Nutzung dieser natürlichen Fabriken bietet die Zentrifugation eine Reihe von Vorteilen“, berichtet Jens Bühring. „Als mechanisches Verfahren zur Abscheidung der Biomasse – der Gesamtmenge oder des Gewichts der Organismen in einem bestimmten Bereich oder Volumen – sind Zentrifugen ressourcenschonend und arbeiten sehr effizient. Ob es nun um die Verarbeitung des Rohmaterials oder des Zwischenprodukts geht: GEA verfügt über viel Know-how auf diesem Gebiet und liefert auch nachgeschaltete Verarbeitungskomponenten... bis hin zum Endprodukt.“

Die Vorteile sind mannigfaltig: „Unsere Kunden sind mit vielen der vorgeschalteten Prozessschritte wie Materialhandling und Fermentation bereits bestens vertraut und verfügen sowohl über das erforderliche Know-how als auch über die entsprechende Ausrüstung. Mit nur wenigen weiteren Schritten hat derselbe Kunde nun Zugang zu einem zusätzlichen Markt“, so Burkhard Schiemann.

Als Beispiel nennt er Milchsäure. Neben ihrer traditionellen Verwendung als Säuerungsmittel in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie wird sie heute dank der aktiven Unterstützung von GEA auch als Bestandteil eines biobasierten und biologisch abbaubaren Kunststoffs namens Polymilchsäure (PLA) verwendet.

„Wir können unsere Kunden auch bei der Prozessentwicklung unterstützen“, sagt Jens Bühring: „Das hat zahlreiche Vorteile, denn Prozesse, die im Labormaßstab perfekt funktionieren, lassen sich nicht immer auf industrielle Standards (oder Kapazitäten) übertragen. Um unangenehme Überraschungen zu vermeiden, helfen wir gerne mit unserem Fachwissen und dem passenden GEA-Equipment... denn nichts ist wirtschaftlicher und effizienter, als Prozesse gemeinsam zu planen.“