Abfallprodukt aus Geflügelfleischherstellung als Rohstoff nutzen Klebstoff vom Huhn: Projekt bringt Federn in die Tube

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Wo geschlachtet wird, da fallen Federn. Diese Abfälle aus der Geflügelfleischproduktion können aber ein wertvoller Rohstoff sein. So erprobt das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik aktuell ein Verfahren, um das in den Federn enthaltene Keratin zur Herstellung von Klebstoffen zu nutzen. Bislang basieren die meisten Klebstoffe auf fossilen Rohstoffen.

Klebstoffe sind fast überall: in Sportschuhen, im Smartphone, im Bodenbelag, in Möbeln, in Textilien und in Verpackungen. Sogar die Frontscheiben von Autos werden eingeklebt. Experten unterscheiden mehr als 1.000 unterschiedliche Klebstoff-Varianten. Diese verbinden fast alle denkbaren Materialien miteinander und haben zahlreiche Vorteile. Klebstoffe wiegen nicht viel und sind deshalb für den Leichtbau geeignet. Zudem verziehen sich geklebte Flächen nicht, da der Druck anders als bei Schraubverbindungen gleichmäßig verteilt wird. Klebstoff rostet nicht und dichtet gegen Feuchtigkeit ab. Zudem sind mit Klebstoff verbundene Flächen weniger empfindlich gegen Schwingungen. Und Klebstoffe sind preiswert und relativ einfach zu verarbeiten.

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Klebstoffe aus Keratin statt aus Erdöl

Bisher werden Klebstoffe überwiegend aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl hergestellt. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB geht nun einen anderen Weg. Die Forscher nutzen Federn als Ausgangsmaterial für Klebstoffe. Federn fallen bei der Geflügelfleischherstellung als Abfälle an. Sie werden vernichtet oder in Tierfutter gemischt. Doch die Federn sind viel zu wertvoll für den Abfall, denn sie enthalten das Strukturprotein Keratin. Dieses Biopolymer wird von Tieren für Krallen, Klauen, Hufe oder eben Federn gebildet und verleiht durch seine Faserstruktur hohe Festigkeit.

Keratin ist ein umweltfreundlicher, weil biologisch abbaubarer Stoff, der darüber hinaus durch seine Struktur die passenden Eigenschaften für die Herstellung von Klebstoffen besitzt. Die Polymer-Struktur und die funktionellen Gruppen, die Vernetzungsreaktionen eingehen können, prädestinieren Keratin für die Herstellung von Klebstoffen aller Art. „Die für Klebstoffe erforderlichen Merkmale sind im Ausgangsmaterial gewissermaßen schon angelegt und müssen nur freigelegt, modifiziert und formuliert werden“, beschreibt Projektleiter Dr. Michael Richter vom Fraunhofer IGB.

Der Prozess von der Feder zum Klebstoff

Beim Projekt Kera Bond „Spezialchemikalien aus maßgeschneiderten funktionalen Keratin-Proteinen“ hat das Fraunhofer IGB in den letzten drei Jahren mit Henkel zusammengearbeitet einem Unternehmen, das mit zahlreichen Industrieklebstoffen weltweit vertreten ist. Dabei haben die Projektpartner ein neues Verfahren entwickelt und optimiert: Zuerst werden die vom Schlachtbetrieb angelieferten Federn sterilisiert, gewaschen und mechanisch zerkleinert. Anschließend erfolgt ein enzymatischer Prozess, bei dem die langkettigen Polymere bzw. Protein-Ketten via Hydrolyse in kurzkettige Polymere gespalten werden.

Im Ergebnis soll eine Plattform-Chemikalie entstehen, die als Ausgangsstoff für die Weiterentwicklung speziell formulierter Klebstoffe dienen kann. „Wir nutzen das Verfahren und die Plattform-Chemikalie wie eine Toolbox, mit der wir die gewünschten Merkmale des Endprodukts herstellen“, sagt Projektleiter Richter. Auf diese Weise könnte man Parameter wie Aushärtezeit, Elastizität, Temperaturverhalten oder Festigkeit des gewünschten Spezialklebers festlegen. Daneben lassen sich nicht nur einfach Klebstoffe, sondern auch verwandte Substanzen wie Härter, Beschichtungen oder Grundierungen produzieren.

Im nächsten Schritt peilte das Fraunhofer-Team bereits die Konversion der Federn im Großmaßstab an. Diese Hochskalierung fand am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna statt. Ziel war es zu beweisen, dass die Herstellung der Plattform-Chemikalien auf Keratin-Basis auch im industriellen Maßstab kostengünstig realisierbar ist. Dabei wurden mehrere Kilogramm Hühnerfedern verarbeitet, und das dabei produzierte Material konnte für erste vielversprechende Materialtests am Fraunhofer IGB und bei Henkel eingesetzt werden.

Biobasierte Plattform-Chemikalie für einen Milliardenmarkt

Das Projekt hat ökonomisch durchaus Bedeutung. Nach Angaben von Statista wurden allein in Deutschland im Jahr 2019 rund eine Million Tonnen Klebstoffe produziert. Deren Gesamtwert beträgt etwa 1,87 Milliarden Euro.

Und auch der wissenschaftliche Output stimmt: Zum neuen Verfahren wurde eine Patentanmeldung eingereicht sowie eine Veröffentlichung in einem wissenschaftlichen Fachjournal publiziert. Zwei Doktoranden, die bei Henkel und Fraunhofer intensiv an dem Projekt forschten, werden ihre Doktorarbeiten voraussichtlich im ersten Quartal 2024 abschließen können. Mit der neuen Technologie auf Keratin-Basis werden sich voraussichtlich viele Plattform-Chemikalien nachhaltig und bioinspiriert produzieren lassen.

Originalpublikation: A. Schieder et al.: A green process for the specific decomposition of chicken feather keratin into polythiol building blocks, Issue 1, pp. 197-210, 2024; DOI: 10.1039/D3SU00269A

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