Bio-Polyamide aus Terpenen Aus alt mach neu – Nachhaltige Monomere für neue Bio-Polyamide

Aus Terpenen eines Abfallstroms beispielsweise der Celluloseindustrie synthetisieren Forscher am Fraunhofer IGB neue, nachhaltigere Bio-Polyamide. Das zugrunde liegende Verfahren erläutert Dr. Harald Strittmatter im LP-Interview. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus

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Fraunhofer IGB – BioCat Bio-, Elektro - und Chemokatalyse

LP: Herr Dr. Strittmatter, Sie haben gemeinsam mit Ihren Kollegen am von Prof. Dr. Volker Sieber geleiteten Straubinger Institutsteil Bio Cat des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ein Verfahren zur Herstellung von Polyamiden aus Terpenen entwickelt. In welchem Kontext stehen Ihre Arbeiten?

Dr. Harald Strittmatter: Auch wenn sich die Ölpreise im Sinkflug befinden, sind fossile Grundstoffe in der Kunststoffherstellung kein zukunftsweisender Weg. Zumal es in Zeiten des Klimawandels darum gehen muss, so wenig Kohlendioxid wie möglich freizusetzen und das Wirtschaften nachhaltiger zu gestalten – etwa, indem vermehrt nachwachsende Rohstoffe genutzt werden. Dabei lassen sich aus pflanzlicher Biomasse aufgrund der Vielfalt an chemischen Strukturen auch neue Chemikalien und Polymere mit he­rausragenden Eigenschaften gewinnen, wie wir mit unseren Arbeiten zeigen konnten. Ziel unserer Arbeiten ist es daher, Terpenderivate zu synthetisieren, die zur Herstellung neuer Biopolymere genutzt werden können.

LP: Wie kommen Sie ausgerechnet auf Terpene?

Strittmatter: Terpene sind Inhaltsstoffe von Pflanzen, die in großen Mengen als Nebenprodukte der Zellulosegewinnung aus Holz anfallen. Damit gibt es keine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduk­tion, wodurch sich die Teller-Tank-Diskussion erübrigt. Bis heute wird Terpentinöl, eine Mischung aus verschiedenen Terpenen, großteils zur Energiegewinnung der Zellulosefabriken verwendet, das heißt diese Abfälle werden verbrannt. Das ist auch insofern unbefriedigend, als die chemische Struktur von Terpenen in ihrer Komplexität äußerst interessant ist. Entsprechende Verbindungen können aus fossilen Grundstoffen nur sehr aufwändig hergestellt werden. Die besondere Terpen-Struktur ermöglicht, Polyamide mit speziellen Eigenschaften herzustellen.

LP: Wie sieht Ihr Nutzungsweg für die Terpene aus?

Strittmatter: Uns geht es nicht um kompostierbare Plastiktüten, sondern um stabile High-Performance-Kunststoffe für spezielle Anwendungen, die sich umweltfreundlich herstellen lassen. Um Bausteine für Biopolymere herzustellen, müssen die Terpene zunächst chemisch modifiziert werden. Bisher haben wir die Terpene α-Pinen, Limonen und 3-Caren sowie das Terpenketon Campher als Rohstoffe untersucht und Synthesen entwickelt, mit denen die entsprechenden Lactame als Bausteine für neue biobasierte Polyamide eingesetzt werden können. Die Arbeiten haben wir zum Patent eingereicht. Die in Terpenen vorhandene Doppelbindung kann mit verschiedenen Reagenzien oxidiert werden. Das Keton wird dann in zwei Reaktionsstufen zum Lactam umgesetzt. Die unterschiedlichen chemischen Strukturen der untersuchten Terpene als Monomere zur Herstellung substituierten Derivate von Polyamid 6 versprechen ein breites Anwendungsspektrum für die neuen biobasierten Kunststoffe. Die erwartete Bildung der im Vergleich zu Polyamid 6 vermehrt amorphen Polyamide wird durch thermische Untersuchungen gezeigt. Statt dem bei der Analyse von Polyamid 6 deutlich sichtbaren, von kristallinen Bereichen hervorgerufenen Schmelzpunkt zeigt das anionisch aus 3-Caren synthetisierte Polymer einen für amorphe Materialien charakteristischen Glasübergangspunkt.

LP: Welche Vorteile sehen Sie gegenüber herkömmlichen Synthesen?

Strittmatter: Neben den aufgrund der besonderen chemischen Struktur der eingesetzten Terpene erwarteten interessanten Materialeigenschaften der hergestellten Polyamide ist ein verminderter Verbrauch fossiler Ressourcen und damit ein niedrigerer Ausstoß von Kohlendioxid ein weiterer Vorteil beim Ersatz von Standard-Kunststoffen durch die neuen Polymere. Im Gegensatz zu den meisten bisher verfügbaren Biopolymeren, die aus Stärke oder Zucker hergestellt werden, ist das Ausgangsmaterial für die hier beschriebenen Bio-Polyamide ein in der Papierherstellung anfallender Reststoff. Auch bei der Herstellung zeigt das Fraunhofer-Verfahren Vorteile: Statt heikler, potenziell gesundheits- oder umweltschädlicher Chemikalien kommen Enzyme und andere unbedenkliche Stoffe zum Einsatz. Polyamide aus Terpenen tragen aber nicht nur dazu bei, fossile Rohstoffe zu schonen und den Anstieg des Kohlendioxid-Gehalts in der Atmosphäre zu begrenzen. Sie weisen auch vielversprechende Eigenschaften auf. Durch den überbrückten Ring in der chemischen Struktur dieser Terpene und der daraus hergestellten Lactame verbleiben in den hergestellten Polyamidketten cyclische Strukturen, die zu deutlich amorpheren und transparenteren Kunststoffen führen. Eine mögliche Anwendung könnte die Herstellung von Skibrillen sein.

LP: Und wie könnte es weitergehen?

Strittmatter: Bislang stellen wir die biobasierten Kunststoffe im Labormaßstab her. Unser Ziel ist es, das Verfahren in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern, in den Produktionsmaßstab zu überführen. Dazu wollen wir die Synthese des auf 3-Caren basierenden Lactams optimieren und ein Polymerisationsverfahren entwickeln, mit dem wir das neue Polymer wirtschaftlich wettbewerbsfähig herstellen können.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Dr. Strittmatter.

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