Biopolymere aus nachwachsenden Rohstoffen

Hintergrund des Projekts

Die Motivation des Projekts ist es, auf das wachsende gesellschaftliche Bedürfnis nach einer nachhaltigeren Ressourcennutzung zu reagieren, wie es in der Zero-Waste-Politik verankert ist. Die Verfügbarkeit von Erdöl, einer Schlüsselressource für die Produktion konventioneller Kunststoffe, nimmt stetig ab. Gleichzeitig führen die Produktion und Entsorgung dieser Kunststoffe zu erheblichen Umweltbelastungen, was das Interesse an erneuerbaren Biopolymeren und Biokunststoffen verstärkt. 

Die Forschung konzentriert sich zunehmend auf die Erschließung erneuerbarer und CO2-neutraler Rohstoffe, um der wachsenden Nachfrage nach umweltfreundlichen Materialien gerecht zu werden. Vor diesem Hintergrund bieten sich Lebensmittelabfälle und -nebenprodukte, insbesondere Maisglutenmehl und Weizengluten, als vielversprechende Alternativen an. Diese Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie werden bislang primär als Tierfutter verwendet, sind dafür jedoch aufgrund ihres Mangels an essenziellen Aminosäuren nur begrenzt geeignet. Eine weitere, vielversprechende Ressource stellen Algen dar. Gegenüber traditionellen Biomassen haben diese den Vorteil in kontrollierten Umgebungen mit definierten Bedingungen gezüchtet zu werden, was eine homogenere chemische Zusammensetzung ermöglicht. Die Nutzung dieser Biomassen steht nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion und tragen durch CO2-Absorption zur Milderung des Klimawandels bei.

Projektziel

Das Hauptziel des Projekts besteht darin, Lebensmittelreststoffe und Algen als nachhaltige und effiziente Alternativen für die Polymerproduktion zu erschließen. Durch präzise Extraktions- und Aufreinigungsprozesse werden die Grundlagen für die Herstellung von Biokunststoffen erarbeitet. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden die Einflussparameter der Extraktionsprozesse auf die Zusammensetzung der Polymere sowie deren thermische und mechanische Eigenschaften umfassend untersucht. Darüber hinaus sollen potenzielle Verarbeitungstechnologien für diese neuartigen Materialien identifiziert und bewertet werden.

Projektablauf

Zur Erreichung der Projektziele wird ein systematisches Screening verschiedener Biomassen sowie Algentypen und -arten durchgeführt, welche auf ihren Proteingehalt und Zusammensetzung detailliert analysiert werden. Dafür werden quantitative Messmethoden zur Bestimmung der Aminosäure-, Lipid- und Polysaccharidzusammensetzung sowie Molekulargewichtsverteilung entwickelt. Anschließend werden verschiedene Extraktionsverfahren hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung von Biopolymeren aus der Biomasse bewertet. 

Die optimalen Prozessparameter und deren Optimierungspotenziale werden identifiziert und die daraus gewonnenen Extrakte umfassend charakterisiert. Der Einfluss der Extraktionsverfahren auf die Zusammensetzung sowie thermischen und mechanischen Eigenschaften der Polymere wird quantifiziert.

Um das Forschungsprojekt zeit- und  kosteneffizient durchzuführen, werden systematische Problemlösung- und Entwicklungsansätze angewendet. Der Einsatz moderner Design-of-Experiments (DoE)-Methoden ermöglicht es, die Anzahl der erforderlichen Experimente signifikant zu reduzieren und dabei eine gleichbleibend hohe Qualität bei der Analyse der Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern und deren Auswirkungen sicherzustellen.

Innovation

Bisher konzentrierte sich die Produktion von Biopolymeren vorwiegend auf den Einsatz konventioneller Biomassen wie Mais oder Zuckerrohr. Die Nutzbarmachung von Algen und Lebensmittelreststoffen durch Proteinextraktion stellt ein weitgehend unerforschtes Gebiet dar. Das Projekt zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem bestehende Methoden aus der Verarbeitung anderer Biomassen und Produkte adaptiert werden.

Ziel ist es, eine klimafreundliche Alternative zu herkömmlichen Kunststoffen zu entwickeln, die insbesondere im Bereich der Verpackungen oder Einwegprodukten Anwendung finden kann. Dadurch würde ein signifikanter Beitrag zur Reduktion der Auswirkungen des Klimawandel geleistet, indem ressourcenschonendere und umweltfreundlichere Materialoptionen erschlossen werden.