Pictures of the Future   Herbst 2007

Kunststoff aus dem Bioreaktor

Von Bakterien hergestellte Kunststoffe sollen künftig viele Elektronikprodukte umweltfreundlicher machen. In aktuellen Forschungsprojekten prüfen Wissenschaftler die Eigenschaften dieser Biopolymere und mögliche Anwendungen.

Das Purpurbakterium Paracoccus denitrificans führt ein genügsames Leben. Im Abwasser oder in der Erde zersetzt der kugelige Einzeller organische Reste. Wenn in einem ansonsten üppigen Nahrungsangebot wichtige Spurenelemente für die Zellteilung fehlen, rüstet sich das Bakterium für schlechte Zeiten. Es legt Vorräte an – aus Plastik. Überschüssige Kohlenhydrate wandelt es in Fettsäuren um und fügt diese zu langen Molekülketten zusammen, wobei letztlich Polyhydroxybuttersäure (PHB) entsteht. Diese sammelt sich in der Bakterienzelle in Form kleiner, fester Kügelchen. PHB ist ein Polymer, das dem Massenkunststoff Polypropylen ähnelt, der heute vielfach eingesetzt wird: von Lebensmittelverpackungen bis zu Textilien.

Der Kunststoff aus der Natur, der von zahlreichen Bakterienarten hergestellt und wieder abgebaut werden kann, ist ein begehrter Roh- stoff. Auch Materialwissenschaftler von Siemens Corporate Technology (CT) und der BASF AG interessieren sich dafür. Gemeinsam mit weiteren Partnern arbeiten sie in den vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz geförderten Forschungsprojekten "BioFun" und "BioPro" zusammen. Ihr Ziel: hochwertige Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen zu entwickeln und die besten Anwendungsmöglichkeiten auszuloten.

Bislang werden Biokunststoffe vor allem für Verpackungen oder für kurzlebige Produkte wie Einweg-Geschirr eingesetzt, weil viele von ihnen biologisch abbaubar sind. 2006 gab es einen regelrechten Nachfrageboom, meldete der Verband European Bioplastics. Ursachen seien das gestiegene Umweltbewusstsein der Verbraucher, das Interesse von Firmen an nachhaltiger Entwicklung und die steigenden Rohstoff- und Energiepreise. Für die nähere Zukunft schätzt der Verband das Potenzial der Biokunststoffe auf 5 bis 10 % des gesamten Kunststoff-Markts – heute liegt ihr Anteil bei etwa 2 ‰ (siehe  Fakten und Prognosen).

Der entscheidende Vorteil des "Öko-Plastiks": Für seine Produktion sind kaum fossile Rohstoffe nötig, und bei der Entsorgung wird nur etwa so viel Kohlendioxid frei, wie die Pflanzen vorher aus der Luft aufgenommen haben. Auch wirtschaftlich sind Biokunststoffe interessant, und die Ausgangsprodukte wie Zucker oder Stärke sind ausreichend am Markt verfügbar. Wegen der hohen Erdölpreise hat sich im Jahr 2006 der Preisabstand zum petrochemischen Plastik deutlich verringert. Vor allem japanische Elektronikhersteller versuchen seit einigen Jahren, auch langlebige Produkte aus Biokunststoffen herzustellen. So brachte Sony einen Walkman mit einer Verkleidung aus dem Biopolymer Polymilchsäure auf den Markt, NEC und Motorola zogen mit Handygehäusen aus dem gleichen Stoff nach.

Temperaturfestes Polymer. Insgesamt blieben die Bioprodukte bisher aber Einzelfälle – unter anderem, weil Polymilchsäure bei Temperaturen über 50 °C weich wird und sich zu verformen beginnt. "Für anspruchsvolle Anwendungen hat PHB entscheidende Vorteile", sagt Reinhard Kleinert, Projektleiter BioFun bei Siemens CT in Berlin. Zum Beispiel hält es Temperaturen bis 120 °C aus. Außerdem kann es mit den gleichen Maschinen verarbeitet werden wie das konventionelle Polypropylen. Das Projekt BioFun hat vor allem Elektronikprodukte im Visier. Entscheidend sind dabei mechanische Eigenschaften wie Biegsamkeit, Schlagfestigkeit oder die Haftfähigkeit der Oberfläche. "Als Elektronik-Hersteller wissen wir genau, was das Material leisten muss", sagt Kleinert. "Durch die Mitarbeit bei BioFun können wir frühzeitig sicherstellen, dass die neuen Werkstoffe die richtigen Eigenschaften besitzen." Dabei können sogar regionale Rohstoffe genutzt werden. In den Bruttanks des Leipziger Forschungsinstituts SIAB erhalten die Paracoccus-denitrificans-Kulturen Glycerin als Nahrung. Die wachsartige Flüssigkeit fällt bei der Herstellung von Biodiesel aus Raps als Nebenprodukt an. Allein in Europa werden ab 2010 voraussichtlich 300 000 t mehr Glycerin produziert, als Kosmetik-, Genussmittel- und Pharmaindustrie weltweit abnehmen können. Geht es nach den BioFun-Forschern, könnte der Überschuss zu Kunststoff werden.

Fest und elastisch bleiben. Zunächst geht es um die Vereinfachung der Produktion, von der Reinigung des Rohglycerins über den Fermentationsprozess im Bioreaktor bis zur Extraktion des PHB aus den Bakterienzellen. "Bislang sind die vielen Einzelschritte sehr energieaufwändig. Das beeinträchtigt die CO₂-Bilanz", berichtet Cornelia Petermann von Siemens CT. Die Umweltingenieurin stellt Ökobilanzen auf, in die auch der Energieverbrauch bei der Herstellung oder die Ökoverträglichkeit von Zusatzstoffen einfließen. Laut Petermann lässt sich noch viel Energie sparen: beispielsweise, indem die verwendeten Stoffe und die frei werdende Wärme zurückgewonnen werden.

Auch an der genauen Zusammensetzung des Kunststoffs feilen die Chemiker noch. Wegen der hohen Anforderungen an Elektronikprodukte müssen sie verschiedene PHB-Mischungen gründlich prüfen – eine Aufgabe für die Forscher von Siemens CT. Sie untersuchen etwa, wie lange unterschiedliche PHB-Varianten fest und elastisch bleiben, und ob Schutzschichten oder spezielle Zusatzstoffe verhindern, dass sich PHB in feucht-heißer Umge- bung zersetzt – ein Problem, das der Biokunststoff mit allen Polyestern teilt. Inzwischen gelang es den BioFun-Forschern, die Elastizität von PHB zu verbessern, indem sie es mit einem von BASF hergestellten biologisch abbaubaren Kunststoff auf Erdölbasis vermischten.

Darüber hinaus wird untersucht, inwieweit sich PHB für den Aufbau mechatronischer Systeme eignet. Seine Oberfläche könnte metallisiert werden und würde dann die Funktion der sonst üblichen Leiterbahnen übernehmen. "Auf die metallene Schicht der PHB-Gehäuseteile ließen sich die Elektronikbauteile direkt aufbringen”, sagt Kleinert. Auf konventionelle Leiterplatten könnte dann verzichtet werden, wodurch sich Material und Platz einsparen ließen. Eines der wichtigsten Kriterien bleibt jedoch der Preis. "Damit unsere Kunststoffe eine Marktchance haben, dürfen sie am Ende höchstens so viel wie etablierte Produkte kosten", stellt Kleinert fest. "Zudem sollten sie mindestens gleichwertig sein oder sogar besser."

Dass herkömmliche Kunststoffe mit Naturfasern verstärkt werden können, stellte der Umweltingenieur Stefan König während seiner Diplomarbeit bei Siemens Medical Solutions fest: Durch Naturfasern lassen sich die mechanischen Eigenschaften konventioneller Kunststoffe deutlich verbessern. Auch hielten die getesteten Werkstoffe mit einem Anteil aus nachwachsenden Rohstoffen den härtesten Flammschutzanforderungen stand, wie sie etwa für Verkleidungsbauteile medizinischer Großgeräte gelten. "Ideal wäre es, Biopolymere mit Naturfasern zu verstärken", sagt König. "Bereits heute gibt es solche Werkstoffe, die nur noch wenig petrochemische Grundstoffe enthalten." Nicht zuletzt die Resultate von BioFun werden diese Entwicklungen weiter beflügeln.
                                                                                                                          Ute Kehse