Kunststoffe spielen eine wesentliche Rolle in Technologie, Konsum und Freizeit. Das ist nicht zu leugnen. Kunststoffe sind kostengünstig in der Herstellung und vielseitig verwendbar. Man kann sie für unterschiedlichste Zwecke in praktisch jede beliebige Form bringen, modellieren, pressen oder gießen. Wir alle kennen Kunststoffe als sichere und zuverlässige Verpackungen für unsere Lebensmittel, Getränke, Kosmetika und Körperpflegeprodukte oder als robuste, bunte Plastikspielsachen für unsere Kinder. Aber diese allgegenwärtigen Materialien kommen auch bei der Fertigung lebensrettender medizinischer Geräte und Instrumente, bei wetterfester Kleidung, ja sogar kugelsicheren Westen zum Einsatz.

Was also sind Kunststoffe?

Kunststoffe werden oft auch als „Plastik“ bezeichnet. Dieser Begriff geht auf das griechische Wort „plastikos“ zurück, das „formbar“ bedeutet. „Plastik“ oder „Kunststoff“ ist letztlich ein Sammelbegriff für eine enorme Vielfalt synthetischer Materialien. Die meisten Kunststoffe sind Polymere. Sie bestehen aus kleinen, organischen Molekülen, die lange Ketten bilden. Die endgültigen Eigenschaften eines Polymers – wie Hitzebeständigkeit, Weichheit oder Dehnbarkeit – hängen von der chemischen Zusammensetzung seiner einzelnen Bausteine, der Monomere, sowie von der Länge der Polymerketten sowie deren Interaktion miteinander ab.

Polyethylenterephthalat, besser bekannt als „PET“, ist ein Polyestermaterial und gehört zu den am häufigsten hergestellten Kunststoffen weltweit. In seinen unterschiedlichen Formen dient das Polymer zur Herstellung einer Vielzahl von Produkten, darunter auch Lebensmittelverpackungen. Darüber hinaus kennen wir eine Reihe weiterer gängiger Kunststoffe wie Polystyrol (Styropor) oder Polyvinylchlorid (PVC).

Die Mehrzahl der heutigen Kunststoffe wird aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Kohle hergestellt. Aber dank wissenschaftlicher Fortschritte in den letzten Jahren können Kunststoffe jetzt auch aus nachhaltigen Quellen, nämlich Rohstoffen auf pflanzlicher Basis wie Zuckerrohr, Kartoffelstärke, Zellulose (Holz), Mais, Soja, Altspeiseölen sowie landwirtschaftlichen und Lebensmittelabfällen hergestellt werden. Chemie- und Prozessingenieure aus aller Welt entwickeln Herstellungsverfahren für solche biobasierten Polymere und Kunststoffe, die Produkte aus fossilen Brennstoffen letztendlich ersetzen sollen. Heute sind viele Polymere aus erneuerbaren Rohstoffen im Hinblick auf ihre Eigenschaften identisch mit vergleichbaren Polymeren aus fossilen Brennstoffen, im Gegensatz dazu aber auch vollständig biologisch abbaubar und recyclingfähig.

Biokunststoffe im Alltag

Alternativen für die Herstellung von Biokunststoffen

Die Industrie, Materialwissenschaftler sowie öffentliche und privatwirtschaftliche Organisationen nutzen bereits Entwicklungen in der „weißen“ bzw. industriellen Biotechnologie zur Optimierung von Prozessen, die energieeffizienten, ressourcensparenden Herstellungsverfahren für nachhaltige, „grüne“ Biokunststoffe den Boden bereiten sollen.

Hier ein paar Beispiele:

  • Ein Team der Universität von Bath in Großbritannien hat ein Verfahren zur Herstellung vollständig biologisch abbaubarer Mikrokugeln aus Zellulose entwickelt. 
  • Das EU-finanzierte Projekt EUROPHA entwickelt derzeit 100 % natürliche, biologisch abbaubare Polyhydroxyalkanoate (Biokunststoffe auf PHA-Basis) als Verpackungsmaterial für Lebensmittel1.  
  • Biofase, ein Biopolymerhersteller aus Mexiko, produziert Strohhalme und Besteck aus Bioplastik auf der Basis von Avocadokernen als Alternative zu Einwegprodukten aus Erdöl. 
  • Ecovative Design aus New York hat eine Technik entwickelt, die Pilze für die Zucht biobasierter Kunststoffalternativen nutzt, aus denen sich unterschiedlichste Produkte herstellen lassen – von Thermojacken über Hightech-Bekleidung und Thermoschuhe bis hin zu Kosmetikschwämmchen. 
  • GC Innovation America, ein Unternehmen des thailändischen Chemiekonzerns PTT Global Chemical Public Company Ltd, arbeitet an der Entwicklung von biobasierten Chemikalien, unter anderem von Biopolymeren, unter Verwendung von Bernsteinsäure aus erneuerbaren Quellen.
  • Das französische Startup Lyspackaging fertigt die so genannte „Veganbottle“ aus 100 % pflanzlichen Grundstoffen, eine kompostierbare Alternative zu herkömmlichen Plastikflaschen, von denen alljährlich 200.000 Tonnen allein in Frankreich nicht dem Recycling zugeführt werden.

Derzeit entfällt zwar nur etwa 1 % der jährlichen weltweiten Kunststoffproduktion auf Biokunststoffe2, aber die Kapazität für die Herstellung von Biokunststoffen steigt und der Weltmarkt für Biokunststoffe aus Biopolymeren, der 2018 ein Volumen von rund 6,95 Mrd. US-Dollar aufwies, könnte Schätzungen zufolge bereits 2023 ein Volumen von 14,92 Mrd. US-Dollar erreichen3.

Öffentliche Gelder sind zur Innovationsförderung auf diesem Gebiet allerdings unverzichtbar. Ende 2018 stellte die britische Regierung 60 Mio. £ für die Entwicklung nachhaltiger Verfahren zur Umwandlung von landwirtschaftlichen, Lebensmittel- und Industrieabfällen in umweltfreundliche Verpackungen bereit4. Auch die EU finanziert eine Reihe von Initiativen, beispielsweise die Entwicklung von Prozessen zur Umwandlung von Zuckerrohrabfall in Biopolymere für Brandschutzprodukte bzw. in Biokunststoffe für 100 % kompostierbare Lebensmittelverpackungen5

Biokunststoffe schließen den Kreis

Neue Prozesse zur Umwandlung von Biomasse in Biopolymere und Biokunststoffe beruhen auf effizienten, zuverlässigen Technologien und Prozessanlagen. Als weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet der weißen Biotechnologie leitet GEA Pionierarbeit und arbeitet schon seit über einem Jahrzehnt mit dem Biokunststoffsektor zusammen an der Entwicklung, Erprobung und Optimierung von Anlagen und Technologien, die es der Industrie ermöglichen, F&E und Pilotprozesse in wirtschaftliche, industrielle Produktionslinien zu überführen.

Biokunststoffe schließen den Kreis

Die Spezialisten von GEA verfügen über detailliertes Know-how über die entscheidenden Produktionsstufen, einschließlich der Verwendung von biobasierten Zwischenprodukten wie Bernsteinsäure, die alternative Wege für die Herstellung von Biokunststoffen bieten. Ein weiteres Beispiel ist die Milchsäureproduktion aus pflanzlichen Rohstoffen. Milchsäure ist ein Grundstoff für die Herstellung von Polymilchsäure (PLA), einer biologisch abbaubaren, nachhaltigen Alternative zu PET und einem der weltweit am häufigsten hergestellten Biokunststoffe.

Die Ingenieure von GEA sind in der Lage, maßgeschneiderte Systeme für vor- und nachgeschaltete Prozessschritte bei der Herstellung von Zwischenprodukten und Biopolymeren zu erarbeiten. GEA bietet ein Portfolio von Lösungen für die Fermentation und Biomasseabscheidung mittels Zentrifugen oder Membranfiltration sowie Technologien für die Reinigung durch Destillation, Schmelzkristallisation oder Membranfiltration und für weiterführende Prozesse wie Konzentrierung, Kristallisation und Trocknung des Endprodukts.

Darüber hinaus ist GEA an der EU-finanzierten PRODIAS-Initiative beteiligt. Diese hat ein Volumen von 14 Mio. €. Acht Organisationen aus ganz Europa befassen sich mit der Entwicklung nachhaltiger Technologien, um die Herstellungskosten erneuerbarer Alternativen zu Produkten aus fossilen Brennstoffen zu senken6.

GEA ist gemeinsam mit anderen Organisationen auch an weiteren wichtigen Entwicklungen beteiligt, beispielsweise der Behebung von Prozessproblemen, der Effizienzsteigerung und der Umsetzung innovativer Konzepte in praxistaugliche Industrieprozesse für die Herstellung von Biokunststoffen und anderen biobasierten Produkten. Sämtliche Lösungen sind auf sparsamen Energie- und Wasserverbrauch, auf Abwärmenutzung, Abfallvermeidung und die Verringerung von Emissionen ausgelegt, wo immer das möglich ist. Ziel sind nachhaltige Prozesse dank nachhaltiger Technologien.

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