Mit Biofasern verstärkte Biopolymere punkten durch Umweltfreundlichkeit
Kunststoffe werden aus Erdöl hergestellt, das zunehmend knapper wird. Sie sind nicht biologisch abbaubar und, obwohl sie zum größten Teils recycelbar sind, ist das Recycling nicht immer energieeffizient. Wissenschaftler konnten nun durch Veränderungen im Fermentationsprozess und Verstärkung mit Nanofasern auf biologischer Basis die Funktionalitäten des vielversprechenden Biopolymers PHB erheblich verbessern. Die Arbeiten an dem von der EU finanzierten Projekt BUGWORKERS (New tailor-made PHB-based nanocomposites for high performance applications produced from environmentally friendly production routes) ergaben ein kosteneffizientes und umweltfreundliches Bio-Nanokomposit, das auf Haushaltsgeräte, Computer und Telekommunikationsgeräte abgestimmt ist. Den Forschern gelang die Entwicklung einer Route zu einer maßgeschneiderten PHB-Biopolymerstruktur mit verbesserten Funktionalitäten im Vergleich zu kommerziell verfügbarem Polyhydroxybutyrat. Dazu zählten verbesserte thermische und chemische Eigenschaften, eine bessere Verträglichkeit mit Zellulosefasern, eine leichtere Verarbeitbarkeit sowie eine höhere Schlagfestigkeit. Die als Vorstufe dienenden Zuckermischungen, die den Bakterien gefüttert wurden, spielten eine entscheidende Rolle. Sie wurden aus hydrolysiertem Weizenstroh, einem Abfall aus der Landwirtschaft, gewonnen, das einerseits kostengünstig ist und andererseits auch nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion steht. Die optimierte Kombination von Kulturmedien und Vorstufenfutter ergab eine hohe Ausbeute an verbessertem PHB. Die Forscher konzipierten außerdem wirtschaftlich realisierbare Prozesse zur Herstellung von Zellulose-Nanowhiskern und Lignin-Nanofasern, die neue Funktionsfähigkeiten aufweisen, aus Lignozellulose-Holzabfällen. Enzyme sind Katalysatoren aus der Natur und das Team setzte natürliche enzymatische Prozesse ein, um die Holzbiomassekomponenten herauszutrennen und Nanofasern mit antimikrobiellen, flammfesten und selbstorganisierenden Eigenschaften herzustellen. Mit Hilfe von Standard-Extrusions- und Injektionsverfahren gelang dem Team die Herstellung komplexer mehrlagiger Teile aus PHB und beiden Fasertypen. Die Teile zeigten beträchtliche Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften. Man baute Demonstratorkomponenten für vier verschiedene industrielle Fallstudien. Die steigenden Ölpreise in Kombination mit der Notwendigkeit nachhaltiger Alternativen zu konventionellen Kunststoffen könnte einer schnelleren Vermarktung der BUGWORKERS-Bio-Nanokomposite Vorschub leisten. Diese vollständig biologisch abbaubaren, umweltfreundlichen Produkte aus nachwachsenden Non-Food-Rohstoffen, die nicht als Lebensmittel dienen, könnten weitreichend, etwa als Verpackung und biomedizinische Systeme, Anwendung finden. Für Hersteller, Verbraucher wie auch die Umwelt sind wesentliche Vorteile zu erwarten.
Schlüsselbegriffe
Biopolymere, Biofasern, PHB, biologisch abbaubar, umweltfreundlich, Nanokomposit