Noch zu exotisch. Noch zu teuer. Noch zu wenige Daten. Wer für den Einsatz biobasierter Kunststoffe argumentiert, spürt Widerstand. Doch an einigen Stellen tut sich was in der Industrie. Und wer die Potenziale der neuen Werkstoffe einschätzen kann, hat auf lange Sicht eventuell Wettbewerbsvorteile.
Biokunststoffe?! Warum sollte sich ein Ingenieur damit befassen? In der Kunststoffindustrie findet er eingespielte Prozesse, optimierte erdölbasierte Werkstoffe, sucht sich Additive aus Katalogen aus und kann die interessantesten Absatzmärkte mit vorhandenen Werkstoffen gut bedienen.
Dennoch gibt es Hersteller von Medizinprodukten wie die B.Braun Melsungen AG, die sich mit ganz anderen Möglichkeiten befassen und sich an einem groß angelegten Forschungsprojekt zu Biopolymeren beteiligen. „Für uns ist das eine strategische Sache: Wir wollten die Frage beantworten, ob das auch etwas für Medizinprodukte sein kann“, sagt Dr. Stefan Roth, der bei B.Braun die Arbeitsgruppe Materialwissenschaften im Bereich Hospital Care leitet. Ein konkretes Produkt haben die Melsunger dabei noch nicht im Blick. „Auch wenn es noch ein Nischenmarkt ist und ein Produktionsstart allein von der bisher begrenzten Menge verfügbarer Rohstoffe her gar nicht möglich wäre: Wir wollen am Puls der Forschung sein, denn es geht um einen interessanten Markt, der sich da entwickelt.“
Da „bio“ ein vielfältig gebrauchter Begriff ist, kommt man an dieser Stelle nicht daran vorbei, zu definieren, wovon gerade die Rede ist. Im Kunststoffbereich werden als „biobasiert“ heute die Werkstoffe bezeichnet, die nicht aus Erdöl hergestellt werden, sondern bei denen am Anfang der Herstellung ein – wie auch immer gearteter – nachwachsender Rohstoff steht. Von Zuckerrohr über Getreidestroh oder Pflanzenöle bis hin zu landwirtschaftlichem Abfall ist als Basis alles denkbar. Was am Ende als Werkstoff herauskommt, hängt vom Prozess und den Vorgaben des Materialherstellers ab. Zu Polyethylen, Polyamid und Polyurethan beispielsweise kann man auf diese Weise schon kommen, auch PVC ist im Angebot.
In ihren Eigenschaften unterscheiden sich die genannten biobasierten Werkstoffe in vielem kaum von den herkömmlichen Materialien. „Letztlich – chemisch gesehen – sind biobasierte Kunststoffe eben auch ’nur‘ Kunststoffe, so wie die, die wir kennen“, sagt Prof. Hans-Josef Endres vom IfBB – Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe an der Hochschule Hannover.
Das hat Vorteile – vieles, was die Industrie über die Verarbeitung dieser Werkstoffe in den vergangenen Jahrzehnten gelernt hat, lässt sich beibehalten. Es hat aber auch einen Nachteil: Die biobasierten Kunststoffe sind bislang noch teurer als petrobasierte Materialien. Für PET nennt Endres ein Mehr von 20 bis 30 % bei den Rohstoffkosten. Da kommt man als Ingenieur, der einen Wechsel vorschlägt, schnell in Erklärungsnot.
„Auf lange Sicht kommen wir um diesen Schritt aber nicht herum“, sagt Endres. Da die Ressource Erdöl in absehbarer Zeit nicht mehr in gewohntem Maße verfügbar sein wird und ein Leben ohne Kunststoffe „für die Menschheit nicht mehr vorstellbar ist“, muss man sich beizeiten um andere Lösungen kümmern. „Was den Energiesektor angeht, ist das längst in unser aller Bewusstsein gedrungen und wird von der Politik konsequent umgesetzt“, sagt der Wissenschaftler. Für ihn sei es daher nur schwer zu verstehen, weshalb der in gleicher Weise betroffene Werkstoffbereich so hinterherhinkt.
„In Asien und Südamerika herrscht bereits eine ganz andere Stimmung. Dort laufen viele Entwicklungen, das Knowhow und die Werkstoffproduktion sowie insbesondere das Marktwachstum in den nächsten Jahren kommen wesentlich schneller voran als in Europa.“ Endres‘ Sorge: Europa könnte leicht den Anschluss verpassen, wenn zu wenige Unternehmen sich des Themas annehmen. „Natürlich kann man sagen, wir warten noch fünf oder zehn Jahre und tun nichts. Aber dann, davon bin ich überzeugt, ist der Zug abgefahren.“
Sich beizeiten mit dem Thema zu befassen, ist auch aus Sicht des Materialwissenschaftlers Roth von B. Braun der richtige Weg. „Die Dynamik des Biokunststoff-Marktes hängt am Preis für Erdöl, und wie sich der in den kommenden Jahren im Detail entwickelt, kann niemand vorhersehen.“ Vielleicht sei die Zeit erst in zehn Jahren reif, um Medizinprodukte aus Biokunststoffen auf den Markt zu bringen. „Damit ich mich dann nicht vom Markt treiben lassen muss, sammele ich aber lieber jetzt meine Erfahrungen.“
Das Umfeld dafür, den erwähnten Forschungsverbund „Biopolymere“, unterstützt auch das Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV). Es hat jüngst die Förderung bis in das Jahr 2014 verlängert. So setzen drei wissenschaftliche Institute und 17 Industriepartner – darunter B. Braun und Engel – ihre Arbeiten zur Entwicklung neuer Biokunststoffe und Biowerkstoffe fort. Ihnen geht es um Verfahrensprozesse, mit denen sich biobasierte Materialien herstellen lassen.
Technisch gesehen stünden laut Endres viele der biobasiert erzeugten Kunststoffe den herkömmlichen in nichts nach. Manche konventionellen Kunststoffe lassen sich durch Biokunststoffe ersetzen, insbesondere dann, wenn diese ihren petrochemischen Pendants in der chemischen Struktur und damit ihren Eigenschaften gleichen. Der Austausch gegen solche so genannten „Drop Ins“ läuft in der Regel problemlos.
Das hat auch B. Braun im Rahmen des Projektes Biopolymere beobachtet. Teile aus Biokunststoffen sind sterilisierbar, sie halten den Kontakt mit Desinfektionsmitteln aus. Rollenklemmen, die bislang aus Polystyrol gefertigt waren, ließen sich – als Demonstrator – auch aus biobasiertem modifizierten PLA herstellen, und derzeit laufen Experimente an Gehäuseteilen für eine Pumpe. „An der Prozessfähigkeit muss man sicher noch ein bisschen schrauben“, sagt Roth. Aber das klingt nicht so, als ob da grundsätzliche Schwierigkeiten zu erwarten seien.
Wie viel Geduld gebraucht wird, um Prozesse anzupassen, lässt sich nicht pauschal beantworten. „Wir haben aber in verschiedenen Projekten gesehen“, berichtet Endres, „dass ein Verarbeiter vielleicht zwei oder drei Wochen experimentiert hat, dann lief die Sache.“ Die Maschinen blieben die gleichen, es waren zum Teil Anpassungen am Werkzeug erforderlich oder Veränderungen der Angussgeometrie. Oder es mussten die leicht abweichenden Fließeigenschaften ausgeglichen werden, um die gewohnten Zykluszeiten zu bekommen.
Auch der Spritzgießmaschinenhersteller Engel Austria hat sich auf die Verarbeitung von Biokunststoffen auf seinen Maschinen vorbereitet und Erfahrungen gesammelt. Dabei treten die Besonderheiten, die für die Produktion von Medizinprodukten generell beachtet werden müssen, deutlicher hervor als spezielle Vorgaben für biobasierte Werkstoffe. Im Fall von Polylactiden beispielsweise müsse man den Werkstoff vor dem Kontakt mit Wasserdampf schützen, da ansonsten sofort der Abbau eingeleitet werde. Entsprechende Vorrichtungen dafür gibt es aber, und mit einigen Anpassungen am Trichter oder auch am Werkzeug seien die Materialien einsatzbereit.
„Das alles ist kein Hexenwerk und letztlich vergleichbar mit dem Wechsel von einem petrobasierten Werkstoff zum anderen“, sagt Endres. Natürlich sei noch nicht alles so durchoptimiert, wie man das in der Industrie gewohnt sei. „Wir profitieren aber von den Erfahrungen der letzten mindestens 50 Jahre, wir wissen, welche Fragen es für eine Produktion in größerem Maßstab zu beantworten gilt – und die Menge verfügbarer Daten wächst schnell.“ Farbgebung, Strahlenvernetzung, die Autoklavierbarkeit, Entformung und Additive, all das sei machbar und müsse in nächster Zeit untersucht und beschrieben werden.
Das Thema beschäftigt auch die Konzerne. Zur Messe K 2013 beispielsweise stellt die Wacker Chemie AG ein Bindemittel namens Vinnex vor, das die Verarbeitbarkeit von Biopolymeren deutlich erleichtern soll. Und in Sachen biobasiertes PE ist vor wenigen Jahren ein neuer Stern am Konzernhimmel aufgegangen: Das brasilianische Unternehmen Braskem hat sich mit einer frühzeitigen Investition in eine Großanlage, in der PE auf der Basis von Zuckerrohr hergestellt wird, die Marktführerschaft gesichert. Mit einer Jahresproduktion von etwa 200 000 t sind die Brasilianer quasi Monopolisten in diesem Segment.
Man darf sich angesichts der Mengen allerdings nichts vormachen. Zwar sind insgesamt etwa 1,5 Mio. t derzeit jährlich hergestellte Biokunststoffe eine Menge – verglichen mit einem Gesamtverbrauch von weltweit 235 Mio. t an Kunststoff aber beinahe verschwindend gering und ein deutliches Zeichen dafür, dass die Nutzung noch am Anfang steht. „Wobei wir auf niedrigem Niveau ein rasantes Wachstum haben“, kommentiert Endres.
Und es gibt Pioniere im industriellen Segment, die serientaugliche Ergebnisse vorlegen. Das gilt zum Beispiel in der Landwirtschaft für Mulchfolien oder Pflanztöpfe, die nach Gebrauch nicht eingesammelt werden müssen, sondern im Boden zu Biomasse umgesetzt werden. In Privathaushalten haben sich abbaubare Küchenabfallbeutel, die mit dem Bioabfall kompostiert werden, einen Markt erobert. Und Automobilhersteller Toyota hat bei seinem nur in Japan erhältlichen Hybrid-Pkw „Sai“ ab dem Modelljahr 2011 eine Innenausstattung realisiert, die zu 80 % auf nachwachsenden Rohstoffen fußt. „Coca Cola hat angekündigt“, ergänzt Endres, „bis 2016 alle PET-Flaschen aus biobasierten PET-Werkstoffen herzustellen.“
Biokunststoffe können also herkömmliche Werkstoffe ersetzen. Manche können aber auch bisher nicht realisierbare Funktionen ermöglichen, wie den Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem Inneren einer Verpackung und der Raumluft. Auch das Bedrucken und Bekleben der Werkstoffe sei einfacher als man das bisher gewohnt ist. Und im medizinischen Bereich taucht die Option auf, abbaubare Implantate, Stents oder Nahtmaterial aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen.
Das Hauptargument für abbaubare Platten, Schrauben oder Nägel ist, dass sie nicht nach einer gewissen Zeit wieder operativ entfernt werden müssen. Ein Beispiel dafür ist das Projekt Bio Resorbable Implants for Children, kurz Bric, in dem Wissenschaftler der TU Graz mit Kollegen in Graz und Wien zusammengearbeitet haben. Sie haben mikrobielle Biopolyester, so genannte Polyhydroxyalkanoate oder kurz PHAs, zu Implantaten verarbeitet. Andere Biopolymere wie etwa Polymilchsäure führen im Unterschied zu PHAs zu einer Übersäuerung im Organismus und rufen Entzündungen hervor. Derzeit sind die neuen Materialien im Entwicklungsstadium und werden unter anderem auf ihre Abbaugeschwindigkeit und weitere Eigenschaften getestet. Dass die Industrie an den Ergebnissen interessiert ist, beweist die Beteiligung der Austria Technologie & Systemtechnik AG sowie der Heraeus Medical GmbH.
Beim Bric-Projekt lag das Hauptaugenmerk auf Implantaten für Kinder. Koordiniert wurde es von der Unfallchirurgin und Orthopädin Prof. Dr. Annelie Martina Weinberg an der Universitätsklinik für Orthopädie in Graz. Sie sieht für abbaubare Implantate ein großes Potenzial – vorausgesetzt, den Voruntersuchungen und der Optimierung der Eigenschaften wird genug Aufmerksamkeit gewidmet.
Es gibt also eine Reihe von Ansatzpunkten, die Biokunststoffe zu einem aufstrebenden Gebiet machen. Und je schneller der Preis für Erdöl steigt, desto rascher wird Expertise auf diesem Gebiet gefragt sein. „Für Speziallösungen wie Infusionssätze für die Krebstherapie oder zentralvenöse Katheter zählt weiterhin vor allem das Know-how. Der Materialpreis rückt hier in den Hintergrund“, sagt Werkstofffachmann Dr. Stefan Roth von B.Braun. Bei Einwegartikeln hingegen sei der Anteil des Materialpreises am Endpreis hoch und die Ölpreissteigerung seit Jahren deutlich spürbar. „Daher werde ich das, was wir im Projekt Biopolymere erfahren, sicher nicht in die Schublade legen.“
- Dr. Birgit Oppermann birgit.oppermann@konradin.de
- Weitere Informationen Über das Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB): www.ifbb-hannover.de Downloadbereich für Zahlen und Fakten zu Biobasierten Kunststoffen: www.downloads.ifbb-hannover.de Fachsymposium von IfBB und SKZ zur Verarbeitung von Biokunststoffen (nächster Termin 2014 ), Kontakt: nuse.lack@hs-hannover.de Kostenlose Biopolymerdatenbank als technische Informationsplattform: www.materialdatacenter.com Über das Projekt Bio Resorbable Implants for Children, kurz Bric: www.medunigraz.at/bric Auf der Messe K: Vom 17. bis 19. Oktober veranstaltet die Fachzeitschrift Bioplastics Magazine vormittags das Bioplastics Business Breakfast (CCD Ost). Jeder Tag ist einem Thema gewidmet: der Verpackungstechnik, den Möglichkeiten von PLA sowie Biokunststoffen für langlebige Anwendungen. www.bioplasticsmagazine.com Buch: Technische Biopolymere. Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften, Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths, Hanser Verlag, München 2009
- Biobasierte Kunststoffe
- Eignung für Medizinprodukte
- Marktentwicklung
- Verarbeitbarkeit
- Perspektiven
Verarbeitungs-Knowhow für KMU
Seit März 2013 arbeiten vier Partner zusammen in einem Kompetenznetzwerk an der Verarbeitung biobasierter Kunststoffe: Die TU Chemnitz ist mit der Professur Strukturleichtbau und Kunststoffverarbeitung vertreten, die Hochschule Hannover mit dem Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, und auch das SKZ – das Kunststoffzentrum in Würzburg sowie das Potsdamer Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung sind mit im Boot.
Damit vor allem kleine und mittlere Unternehmen vom gewonnenen Wissen profitieren, planen die Wissenschaftler Infobroschüren und Demonstrationsprojekte, Workshops, Tagungen, Schulungen und den Aufbau regionaler Beratungsstrukturen. Auch soll das Kompetenznetzwerk eingebunden werden in das Biopolymernetzwerk des Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR). Sie dient als öffentliche Anlaufstelle für Fragen zu Biokunststoffen. Weitere Informationen: www.fnr.de
Ihr Stichwort
Online weiterlesen
Mehr über die Marktentwicklung bei Biokunststoffen, ein Spezialadditiv und die Potenziale abbaubarer und mit Medikamenten bestückter Implantate finden Sie in unserem Online-Magazin unter www.medizin-und-technik.de/ onlineweiterlesen.
Verfügbar bis 11. November 2013 – also bis die nächste Ausgabe erscheint.
Was heißt denn „bio“?
Biobasierte Kunststoffe sind Modifizierungen von aus der heutigen Natur gewonnenen nachwachsenden Rohstoffen. Das heißt nicht zwangsläufig, dass sie auch biologisch abbaubar sind. Für Forschung und Industrie sind sie dennoch interessant, da ihre Nutzung den Verbrauch fossiler Kohlenwasserstoffe reduzieren würde und somit weniger „gestriges“ CO2 in die Umwelt käme.
Derzeit gewinnt man biobasierte Kunststoffe zum Beispiel aus Kohlenhydraten wie Zucker, Stärke, Cellulose, Lignin, aber auch aus Proteinen, Bio-Fetten oder Ölen. Als biobasierte Polymere sind unter anderem Polylactidacid (PLA), Polyhydroxybutyrat aus der Gruppe der Polyhydroxyalkanoate (PHA), Cellulosederivate (CA, CAB) und Stärkederivate, aber auch zum Beispiel Bio-Polyethylen (PE) verfügbar. Zu den zumindest teilweise biobasierten, aber nicht bioabbaubaren Polymeren zählen auch naturfaserverstärkte herkömmliche Kunststoffe sowie neue Polyamide und Polyurethane.
Mengenmäßig spielen Biokunststoffe heute und in der näheren Zukunft noch kaum eine Rolle. Für das Jahr 2011 bezifferte der Erzeugerverband Plastics Europe die weltweite Polymerproduktion auf 280 Mio. t. Rund 235 Mio. t werden für Kunststoff-Werkstoffe verwendet. Für Biokunststoffe prognostizieren European Bioplastics und das IfBB aufgrund des Marktwachstums bis zum Jahr 2016 eine weltweite Produktionskapazität von knapp 5,8 Mio. t. Noch optimistischer fällt die Studie des Nova-Institutes vom März 2013 aus. Laut dieser wachsen die Produktionskapazitäten für biobasierte Kunststoffe bis zum Jahr 2016 – also in den nächsten drei Jahren – auf über 8 Mio. t und bis zum Jahr 2020 auf knapp 12 Mio. t. Das bedeutet, wenn auch auf niedrigem Niveau, einen extremen Anstieg, denn im Jahr 2013 wurden nur etwa 1,5 Mio. t Biokunststoffe hergestellt.
Unsere Webinar-Empfehlung
Erfahren Sie, was sich in der Medizintechnik-Branche derzeit im Bereich 3D-Druck, Digitalisierung & Automatisierung sowie beim Thema Nachhaltigkeit tut.
Teilen:
