Biopolymer

Ein in der Natur sehr häufiges vorkommendes, aber auch in technischen Anwendungen genutztes Biopolymer ist die Cellulose. Bis zu tausende Einheiten dieser Grundstruktur (Cellobiose-Rest) sind dabei zu einem Cellulosemolekül verknüpft.

Ein Biopolymer (altgriech. βίος bíos ‚Leben‘ mit altgriechisch πολύ polý ‚viel‘ und μέρος méros ‚Teil‘) ist ein Polymer, das in der Zelle eines Lebewesens synthetisiert wird. In Form z. B. von Polysacchariden, Proteinen, Nukleinsäuren etc. dienen Biopolymere als Energiespeicher (Glykogen, Stärke), haben strukturelle Funktionen für die Zelle (Lipidmembranen) oder den gesamten Organismus (Cellulose in Fasern), wirken im Stoffwechsel (Stoffaufnahme, -transport, Enzym, Exkretion), erkennen Zustände (Sensorik), bewirken Veränderungen (Muskulatur, Farbwechsel), wehren schädigende Einflüsse aktiv ab (Toxine, Immunologie), speichern oder vermitteln Information (genetisch, hormonell, ZNS).

Häufig wird der Begriff Biopolymer auch zur Unterscheidung von Werkstoffen benutzt. Hier wird auch von technischen Biopolymeren oder Biopolymerwerkstoffen gesprochen, um von nicht als Werkstoff nutzbaren Biopolymeren abzugrenzen. Eine einheitliche Definition für technische Biopolymere hat sich noch nicht etabliert. So werden darunter z. B. Werkstoffe zusammengefasst, die aus biogenen Rohstoffen (nachwachsenden Rohstoffen) bestehen und/oder biologisch abbaubar sind (biogene und biologisch abbaubare Polymere). Darunter fallen also biobasierte Biopolymere, die biologisch abbaubar oder auch nicht biologisch abbaubar sind, als auch erdölbasierte Polymere, die biologisch abbaubar sind. Damit erfolgt eine Abgrenzung von den konventionellen, erdölbasierten Werkstoffen bzw. Kunststoffen, die nicht biologisch abbaubar sind, wie z. B. Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polyvinylchlorid (PVC).

Bei anderen Definitionen werden Erdölprodukte nicht zu den Biopolymeren (biogenen Polymeren) gezählt. Dagegen können sowohl native Polymere (z. B. Cellulose und Cellulosederivate) als auch biobasierte Kunststoffe, die durch umfassende chemische Veränderung der biogenen Rohstoffe hergestellt wurden (z. B. Polylactide (PLA) aus mit Hilfe der weißen Biotechnologie erzeugter Milchsäure), dazugezählt werden.

Ein verwandter Begriff ist „Biokunststoff“, der ebenfalls nicht einheitlich verwendet wird, und sich teilweise oder stark mit dem Begriff Biopolymer überschneidet. Auch hier wird die Vorsilbe Bio-, abhängig von der jeweiligen Definition, als biogen oder biologisch abbaubar verstanden und kann sowohl bio-basierte Kunststoffe als auch biologisch abbaubare Kunststoffe bezeichnen.

Natürliche Biopolymere

In der nachfolgenden Tabelle sind wichtige, in der Natur vorkommende (biogene) Biopolymere mit dem jeweiligen Monomer, der Art der chemischen Bindung und Beispielen zu ihrem Vorkommen aufgeführt:

Polymer	Monomer(e)	Bindungstyp	Vorkommen
Proteine und Peptide	Aminosäuren	Amid- bzw. Peptidbindung	in allen Lebewesen als Enzyme, Gerüstsubstanzen, Stofftransportsysteme, Chemorezeptoren usw.
Nukleinsäuren	Nukleotide	Phosphodiesterbindung	DNA in allen Lebewesen und vielen Viren als Informationsträger der Erbsubstanz, RNA z. B. als mobiler Informationsträger (mRNA)
α-Polysaccharide	Mono- bzw. Disaccharide	α-glykosidische Bindung	als Energiespeicher (Stärke in Pflanzen, Glykogen in Tieren)
β-Polysaccharide	Mono- bzw. Disaccharide	β-glykosidische Bindung	als Gerüstsubstanz (Cellulose in Pflanzenwänden, Chitin in Pilzen, Arthropoden und Kopffüßern, Chitosan in Pilzen)
Lipide	Carbonsäuren und Alkohole	Esterbindung	in allen Lebewesen als Energiespeicher und Bausteine von Zellmembranen, in manchen Hormonen und Pigmenten
Polyhydroxyalkanoate (PHA)	Hydroxyalkanoat	Esterbindung	als bakterieller Reservestoff, wie z. B. Polyhydroxybutyrat (PHB)
Cutin	C16- und C18-Hydroxyfettsäuren	Esterbindung	zur Versiegelung von Pflanzenzellen gegen Wasser
Suberin	Glycerin und Polyphenole	Ether- und C-C-Bindungen	zur Versiegelung von Pflanzenzellen für Wassertransport
Lignin	Phenylpropanderivate (Cumaryl-, Coniferyl- oder Sinapylalkohol)	Ether- und C-C-Bindungen	als Gerüstsubstanz bei verholzenden Pflanzen

Technische Biopolymere

→ Hauptartikel: Bio-basierter Kunststoff

Technische Biopolymere (Biowerkstoffe) lassen sich, laut der Definition von Endres und Siebert-Rath, in die drei in den nachfolgenden Absätzen erläuterten Kategorien unterteilen. Diese Definition deckt sich mit der von der European Bioplastics verwendeten Definition von Biokunststoff, die jedoch keine Allgemeingültigkeit hat.

Werden Biopolymere dagegen als biologisch abbaubare Polymere definiert, sind nicht alle im Folgenden unter Native Polymere und Biobasierte Polymere aufgeführten Beispiele dazuzuzählen.

Kunststoffe sind meist keine homogenen Produkte, sondern benötigen verschiedene Hilfs- und Zusatzstoffe, die häufig erdölbasiert sind. Nur teilweise ist ein Ersatz durch biobasierte Komponenten möglich.

Native Polymere

(siehe auch Artikel Cellulose, Stärkepolymer und Stärke als nachwachsender Rohstoff)

Verpackung aus dem Biokunststoff Celluloseacetat

In der Natur bzw. in Biomasse vorkommende Polymere, wie z. B. Cellulose und Stärke, können ohne oder mit nur geringen Veränderungen bzw. unter Erhalt der Grundstruktur zur Erzeugung von Biopolymeren verwendet werden:

• Cellulose und bestimmte Cellulosederivate
  • Regeneratfasern wie Viskose und Cellophan
  • Zelluloid
• Stärke
  • Thermoplastische Stärke

Biobasierte Polymere

Organische Verbindungen, wie z. B. Stärke bzw. Saccharose, können umfassend modifiziert werden, um biobasierte Polymere herzustellen:

• Polylactid (PLA): Polymer der Milchsäure, das Monomer kann z. B. fermentativ mit Bakterien (Weiße Biotechnologie) aus organischen Verbindungen, wie z. B. Glucose, hergestellt werden
• Polyhydroxybutyrat (PHB): in der Natur als Speichersubstanz in Bakterien vorkommendes Polymer, durch Fermentation von Bakterien aus anderen organischen Verbindungen herstellbar
• Thermoplaste auf Ligninbasis
• Epoxyacrylate auf der Basis von Ölen (aktuell vor allem Lein- und Palmöl)

Abbaubare, erdölbasierte Polymere

Bestimmte erdölbasierte Kunststoffe sind biologisch abbaubar und werden daher gelegentlich als Biopolymere (oder Biokunststoffe) bezeichnet:

• bestimmte Polyester
• Polyvinylalkohol
• Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT)
• Polybutylensuccinat (PBS)
• Polycaprolactone (PCL)
• Polyglycolid (PGA)

Einige erdölbasierte Polymere sind technisch und auch zunehmend kommerziell auf der Basis nachwachsender Rohstoffe herstellbar, vor allem Polybutylensuccinat (PBS) und Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT). In diesen Fällen werden Bernsteinsäure und/oder 1,4-Butandiol biotechnologisch hergestellt.

Biologischer Abbau

→ Hauptartikel: Biologischer Abbau und Biologisch abbaubarer Werkstoff

Die biologische Abbaubarkeit ist vor allem für die spätere Entsorgung des Werkstoffs relevant. Unter ökologischen und Nachhaltigkeitsaspekten sind abbaubare Kunststoffe von zunehmendem Interesse und von zunehmender wirtschaftlicher Bedeutung.

Zu bedenken ist, dass Polymere aus natürlichen oder biobasierten Rohstoffen häufig biologisch abbaubar sind, aber auch Produkte erzeugt werden können, die beständig sind. Ebenso sind Polymere aus fossilen Rohstoffen zwar häufig von hoher Beständigkeit, aber auch abbaubare Produkte können erzeugt werden (siehe Absatz Abbaubare, erdölbasierte Polymere).

Je nach Anwendung werden unmodifizierte Roh-Biopolymere mit anderen Roh-Biopolymeren vermischt (geblendet), um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Hersteller von solchen Blends sind z. B. Novamont, Biotec, FKuR und Limagrain.

Siehe auch

• Biowerkstoff

Weblinks

• Biopolymer Database, Datenbank mit Eigenschaften von Biopolymeren für technische Anwendungen, erstellt von der FH Hannover und M-Base Engineering + Software GmbH
• Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung, Forschung und Entwicklung unter anderem im Bereich Biopolymere
• Umweltbundesamt, Untersuchung der Umweltwirkungen von Verpackungen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen (PDF; 3,1 MB) 2012

Literatur

• P. Eyerer, P. Elsner, T. Hirth (Hrsg.): Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. 6. Auflage. Springer Verlag, Heidelberg 2005, ISBN 978-3-540-21410-6, S. 1443–1482.
• Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths: Technische Biopolymere. Hanser-Verlag, München 2009, ISBN 978-3-446-41683-3.