Industrielle Aspekte von Biopolymeren

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1 Industrielle Aspekte von Biopolymeren Arnold Schneller BASF SE, Ludwigshafen BioPro Netzwerktreffen 23. Juni VERTRAULICH - Ren Resource Forum

2 1. Definitionen 2. Beispiele für Biopolymere bioabbaubar biobasiert Netzwerktreffen 23. Juni

3 Definitionen/ 1 Abbaubar (degradable): Das Das Material zersetzt sich sich unter unter dem dem Einfluß Einflußvon Sonne, Sonne, Wasser, Temperatur und/ und/ oder oder von von Additiven (mechanische Desintegration, kein kein vollständiger Abbau). Bioabbaubar (biodegradable): Biologischer Prozess, in in dem dem organische Materie durch durch Mikroorganismen abgebaut und und letztlich zu zu Wasser, C2, C2, Energie und und Zellmasse umgewandelt wird. wird. Nachwachsend (renewable) = Biobasiert (biobased): Rohstoffbasis, die die jährlich jährlich erneuert wird, wird, im im Gegensatz zu zu fossil-basiert (endlich). Sinnvoll: Gewisser Anteil Anteil im im Endprodukt (bisher (bisher keine keine klaren klaren Vorgaben) Netzwerktreffen 23. Juni

4 Definitionen/ 2 Bioabbaubarkeit ist nicht abhängig von den eingesetzten Rohstoffen, sondern allein eine Eigenschaft der chemischen Struktur! Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen sind nicht zwangsläufig auch bioabbaubar! Netzwerktreffen 23. Juni

5 Definitionen/ 3 Was sind Biokunststoffe? 1. Kompostierbare Kunststoffe zertifiziert nach EN13432 auf Basis von nachwachsenden (biobasierten) und/ oder fossilen Ressourcen. 2. Biobasierte Kunststoffe hergestellt auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Source: European Bioplastics Netzwerktreffen 23. Juni

6 Biokunststoffe Klassifizierung nicht biologisch abbaubar biologisch abbaubar nachwachsend nachwachsend fossil fossil Netzwerktreffen 23. Juni

7 Biokunststoffe Differenzierung im Markt Funktionalität/ Alleinstellungsmerkmal biologisch abbaubar nachwachsend, nicht biologisch abbaubar Anwendungen (exemplarisch) Verpackung, Landwirtschaft, Einweggeschirr kurzlebig Automobil, Haushaltsgeräte, Bauwesen langlebig Zusatznutzen einfache Entsorgung, geringere Systemkosten Environmental Footprint / Lebenszyklus-Analyse (LCA), Eigenschaften Kosten (?) Netzwerktreffen 23. Juni

8 Biokunststoffe Klassifizierung nicht biologisch abbaubar biologisch abbaubar nachwachsend (bio)chemischstabil, langlebig fossil nachwachsend fossil (bio)chemischinstabil, kurzlebig Netzwerktreffen 23. Juni

9 Beispiele für Bioabbaubare Polymere (kommerziell verfügbar) Polymer Polymilchsäure (PLA) Polyhydroxyalkanoate (PHA s) * * CH 3 R n * n aliphatisch/aromatische Copolyester (EastarBio, Ecoflex ) C (CH 2 ) 4 C * (CH 2 ) 4 C C Prozess anaerobe Fermentation von Glucose zu Milchsäure Ringöffnende Polymerisation von Lactid aerobe Fermentation von Zuckern zum Polymer PBT/PET Prozess Eigenschaften langsame Kristallisation niedrige Glastemp. von 60 C spröde hohe Kristallinität (durch Comonomere steuerbar) schwer zu verarbeiten (als Homopolymer) ähnlich Polypropylen sehr ähnlich zu LDPE Kristallinität steuerbar Kostengünstige Monomere Netzwerktreffen 23. Juni

10 Ecovio Anwendungsbeispiele Erst Einkaufstasche......dann Kompostbeutel Schaumfolien (Laborprodukt) Netzwerktreffen 23. Juni

11 Bioabbaubare Polymere Produktionskapazitäten (Auswahl) Firma Produkt Kapazität (kt/ a) BASF NatureWorks pyramid bioplastics Telles (JV ADM/ Metabolix) Showa Denko Summe Ecoflex (Polyester) Ingeo (Polymilchsäure) Polymilchsäure Mirel (Polyhydroxyalkanoat) Bionolle (Polyester) (2010) (2009) 60 (2009) 50 (2009) (2010) Netzwerktreffen 23. Juni

12 1. Definitionen 2. Beispiele für Biopolymere bioabbaubar biobasiert Netzwerktreffen 23. Juni

13 Biobasierte Polymere: Mögliche Routen Fermentation/ Chemische Prozesse Nachwachsende Rohstoffe Fermentation/ Chemische Prozesse Monomere: Dicarbonsäuren, Diole,Diamine, lefine Chemische Prozesse (Drop-in) Poly- ester, -amide,-urethane, -olefine Cellulose-Derivative, Lignin, PHA Netzwerktreffen 23. Juni

14 Netzwerktreffen 23. Juni Polyester und Polyamide Synthese via Polykondensation + X X X X X X X X X X X X X X X X: - CH, : - H Polyester X: - CH, : - NH 2 Polyamide

15 Monomere für Biobasierte Polyester Beispiel: Bernsteinsäure & Butandiol Glucose + Fermentation C 2 Bakterium H 2 H Bernsteinsäure Bernsteinsäure als als Monomer und und Zwischenprodukt Potential für fürausbeute > 100% 100% C C 2 2 Fixierung Bernsteinsäure + H 2 H NH NH H 2 2 1,4- Butandiol 1,4- Butandiamin Netzwerktreffen 23. Juni

16 Biobasierte Polyester Möglichkeiten: Bernsteinsäure Sebazinsäure Azelainsäure Brassylsäure Ecoflex, PBS (bioabbaubar) Propandiol (DuPont) Butandiol Ethylenglykol PET, PTT Sorona, PBT (nicht bioabbaubar) Breite Variabilität an Monomeren ermöglicht Vielfalt an Polymeren, maßgeschneidert bzgl. Abbaubarkeit und Bio-Gehalt Netzwerktreffen 23. Juni

17 Syntheserouten zu biobasierten Polyamiden - Diamine Cyclisierung H 2 N NH NH 3 NH Glucose Deaminierung Caprolactam Doldouras et al, J. Am. Chem. Soc. 1998, 100, H NH 2 PA 6 NH 2 Lysin C 2 Decarboxylierung H 2 N NH 2 natürliches Amin PA 5.X + Dicarbonsäure Netzwerktreffen 23. Juni

18 Biobasierte Polyamide Synthesewege H Ricinolsäure CH Polyurethan Balance 50 (R) Kunststoffe 6/2007, 93 H C C H Sebazinsäure PA 11 + HMDA + TMDA + PMDA + DMDA Ricinus communis L. (Wunderbaum) PA 6.10 PA 4.10 PA 5.10 PA % 100% 100% 100% biobasiert, nicht bioabbaubar Netzwerktreffen 23. Juni

19 Biobasierte Polyamide pportunities: Bernsteinsäure Sebazinsäure Azelainsäure Brassylsäure Tetramethylendiamin Pentamethylendiamin Decamethylendiamin C-11 lactam PA 4.10, 5.10, 6.10, 5.9, 6.9, 10.10, 11, Breite Variabilität an Monomeren ermöglicht Vielfalt an Polymeren, maßgeschneidert bzgl. Eigenschaften und Bio-Gehalt Netzwerktreffen 23. Juni

20 Biobasierte Polyamide Kostensituation Kosten PA5.6 PA5.10 PA4.10 PA10.10 PA6.10 PA6 PA6.6 Biobasierte Polyamide sind Spezialitäten! Netzwerktreffen 23. Juni

21 Erfolgsfaktoren für Biopolymere Nachhaltigkeit als neues Differenzierungsmerkmal Nachhaltigkeit Kosten Eigenschaften Netzwerktreffen 23. Juni

22 Biopolymere Lessons learned: 1. Attribut Bio allein ist kein nachhaltiges Marketing- Argument. Die Produkte müssen dem Kunden Vorteile bieten. 2. Zugang zu günstigen Rohstoffen (keine Nahrungsmittel) ist unabdingbare Voraussetzung. Einsatz von GM in Europa kritisch. 3. Biopolymere sind Spezialitäten, und als solche Ergänzungen zum bestehenden Produktsortiment. 4. Neben etablierten Produkten im Verpackungsbereich (bioabbaubar) finden Biopolymere zunehmend Anwendungen im klassischen Werkstoffbereich (langlebige Konsumgüter) Netzwerktreffen 23. Juni