Dorner  Michael Biopolymere  

1.  Einführung  4

1.1.  Standpunkte zu Biopolymeren  5

1.2.  Wissenschaftliche Aspekte.  5

1.2.1.  Prüfverfahren zur biologischen Abbaubarkeit  6

1.3.  Eigenschaften von BAK.  6

2.  Der Bioabbau  7

2.1.  Der Prozess des Bioabbaus.  7

2.1.1.  Biologischer Abbau.  7

2.1.2.  Weitere Definitionen.  8

2.2.  Schlüsselelemente des Bioabbaus.  8

3.  Nachwachsende Rohstoffe (Biopolymere)  9

3.1.  Vorteile beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen.  9

3.2.  Nachteile beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen.  9

4.  Verschiedene Biopolymere.  9

4.1.  Polysaccharide.  9

4.1.1.  Monosaccharide.  10

4.1.2.  Cellulose.  11

4.1.2.1.  Herstellung von Cellulose  12

4.1.2.2.  Biologischer Abbau von Cellulose.  12

4.1.3.  Stärke  13

4.1.3.1.  Herstellung/Verwendung von Stärke.  14

4.1.3.2.  Weitere Anwendungen/Arten von Stärke  15

4.1.3.3.  Biologische Abbaubarkeit von Stärke/Cellulose (Glucose)  15

4.1.4.  Chitin/Chitosan.  15

4.1.4.1.  Herstellung Chitin/Chitosan  16

4.1.4.2.  Abbaubarkeit von Chitin/Chitosan.  16

4.1.4.3.  Verwendung von Chitin/Chitosan.  16

4.1.5.  Pullulan.  16

4.2.  Proteine.  17

4.2.1.  Polymere tierischen Ursprungs.  19

4.2.1.1.  Casein Kunststoffe  19

4.2.1.2.  Seide.  19

4.2.2.  Polymere pflanzlichen Ursprungs.  20

4.2.3.  Polyglutaminsäure  20

4.3.  Polyester.  21

4.3.1.  Polyhydroxyfettsäuren (PHF)  21

4.3.1.1.  Herstellung der PHB.  21

4.3.1.2.  Eigenschaften der PHB  22

4.3.1.3.  Biologischer Abbau von PHB.  22

4.3.2.  Polymilchsäure (Polyactid, PLA)  23

4.3.2.1.  Herstellung von PHL.  23

08.11.2001  - Dorner Michael Co-Ref: Sprinzl Wolfgang, Wawruschka Florian  2

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4.3.3.  Eigenschaften der PLA.  23

4.3.3.1.  Biologischer Abbau von PLA.  24

4.4.  Polyisoprene  25

4.4.1.1.  Verarbeitung von Polyisoprenen  25

4.4.1.2.  Verwendung von Polyisoprenen.  25

4.4.1.3.  Biologischer Abbau von Polyisoprenen  25

5.  Trends, Ideen und Zukunftsmusik  26

5.1.  Stand der Dinge  26

5.2.  Zukunftsmusik.  26

6.  Literaturverzeichnis.  27

7.  Abbildungs und Folienverzeichnis.  28

8.  Danksagung.  28

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In den letzten Jahren haben polymere Werk- und Hilfsstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen eine zunehmende Bedeutung auf ausgewählten Anwendungsgebieten erfahren. Die nahe liegenden Vorteile der Schonung petrochemischer Ressourcen und der Verminderung des Abfallaufkommens verbinden sich jedoch immer deutlicher mit eigenschaftsbezogenen Zielstellungen, wie z.B. der Herstellung von biologisch abbaubaren Werkstoffen. [Lit.1]

Definition Biopolymere

Biopolymere sind Kunststoffe basierend auf Rohstoffen aus der Natur. Sie können, müssen aber nicht biologisch abbaubar sein.

Bezüglich der Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren spielt darüber hinaus die Reduzierung toxischer oder allergener Einsatz- und Zwischenprodukte als Vorteil gegenüber konventionellen Verfahren eine zunehmende Rolle (z.B. in der Medizintechnik). [Lit.1]

Abb. 1- Systematik der Biologisch abbaubaren Polymere

Obwohl es bereits verschiedene markteingeführte Produkte gibt und erste Schritte von gesetzgeberischer Seite getan wurden, sind die Standpunkte zu den biologisch abbaubaren Kunststoffen oftmals differenziert. Bei repräsentativen Umfragen konnte ermittelt werden, dass das Wissen um diese neuen Materialien und damit deren Akzeptanz in breiteren Schichten der Bevölkerung noch unzureichend sind.

Erfreulicherweise stehen Jugendliche dem Thema unvoreingenommener gegenüber. Sie und auch andere Befürworter dieser Entwicklung stützen sich auf die folgenden Argumente:

Auch hier gibt es nicht nur einheitliche Standpunkte, da die wissenschaftliche Bearbeitung dieser Stoffgruppe relativ jung ist und die Ergebnisse auch unter verschiedenen politischen und unternehmensstrategischen Gesichtspunkten betrachtet werden müssen. Die positiven Argumente lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Dorner Michael Biopolymere

1.2.1. PRÜFVERFAHREN ZUR BIOLOGISCHEN ABBAUBARKEIT

Die derzeit am häufigsten verwendete Norm zur Prüfung der biologischen Abbaubarkeit von Kunststoffen ist die Vornorm DIN 54 900 erschienen 1998.

1.3. EIGENSCHAFTEN VON BAK

Biologisch abbaubare Kunststoffe (BAK) mit technischer Anwendung gibt es bereits seit einigen Jahren, der erste BAK wurde noch vor 1900 hergestellt.

Abb. 2 - Zug- und Reißfestigkeit von Folien

Dabei zeigt sich eine Überlegenheit der konventionellen Kunststoffe bezüglich der Zugfestigkeiten an den Beispielen PET und OPP. Andererseits liegen PHB/HV und PCL in diesen Werten noch über denen von LDPE und PVC hart. In der Reißdehnung ist PCL mit PA 6 vergleichbar, und selbst PHB/HV liegt im Bereicht der Messwerte für PET.

Dabei sind extrazelluläre Enzyme verantwortlich für die Reaktionen außerhalb der Zelle. Die Wirkungsweise kann in endo (zufällige Spaltung in der Hauptkette der Polymeren) und exo (Spaltung endständiger Monomereinheiten) eingeteilt werden. Infolge der enzymatischen Wirkung werden genügend kleine Oligomerfragmente gebildet und in die Zelle transportiert, wo sie mineralisiert werden.

Die Zelle gewinnt Energie, und es entstehen gasförmige Produkte (CO 2 , CH 4 , N 2 ), Wasser, Salze, Minerale und Biomasse. Insgesamt variieren die Reaktionen und deren Geschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Polymer, den Mikroorganismen und den Umgebungsbedingungen. In vielen Fällen ist der 1. Reaktionsschritt reversibel, und es werden Huminstoffe gebildet.

2.1.1. BIOLOGISCHER ABBAU

Da sehr viele Quellen für die Ansicht des „biologischen Abbaus“ existieren wurde zusammenfassend folgende Definition daraus abgeleitet:

Bioabbau ist ein durch biologische Aktivität verursachter Vorgang, der unter Veränderung der chemischen Struktur eines Werkstoffes zu natürlich vorkommenden Stoffwechsel-Endprodukten führt. Ein Kunststoff ist bioabbaubar, wenn alle organischen Bestandteile einem vollständigen Bioabbau unterliegen. Die Umgebungsbedingungen und die

Geschwindigkeit des Bioabbaus müssen in standardisierten Testverfahren bestimmt werden.