Frau hält Biokunststoffwürfel in der Hand

Ein Team unter der Leitung von Forschern der University of Washington hat neue Biokunststoffe entwickelt, die aus pulverisierten blaugrünen Cyanobakterienzellen, auch bekannt als Spirulina, hergestellt werden. Hier hält Mallory Parker, UW-Doktorandin der Materialwissenschaft und des Ingenieurwesens, einen aus Spirulina hergestellten Biokunststoffwürfel hoch. (Bild: Mark Stone/University of Washington)

Doktorandin gibt Spirulina-Pulver in eine Form mit UW-Logo.
Die Doktorandin gibt Spirulina-Pulver in eine Form mit UW-Logo. Sobald diese Form in die Heißpresse kommt, wird sie ein Kunststoffstück in Form des UW-Logos erzeugen. (Bild: Mark Stone/University of Washington)

Diese Biokunststoffe werden vollständig aus pulverisierten blaugrünen Cyanobakterienzellen, auch bekannt als Spirulina, hergestellt. Das Team verwendete Hitze und Druck, um das Spirulina-Pulver in verschiedene Formen zu bringen, die gleiche Verarbeitungstechnik, die auch bei der Herstellung herkömmlicher Kunststoffe verwendet wird. Die Biokunststoffe des University Washington (UW)-Teams haben mechanische Eigenschaften, die mit denen von Einwegkunststoffen aus Erdöl vergleichbar sind.

Das Team veröffentlichte diese Ergebnisse am 20. Juni in Advanced Functional Materials. "Wir waren motiviert, Biokunststoffe zu entwickeln, die sowohl biologisch gewonnen und in unseren Gärten biologisch abbaubar sind, als auch verarbeitbar, skalierbar und recycelbar", sagte die Hauptautorin Eleftheria Roumeli, UW-Assistenzprofessorin für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen. "Die von uns entwickelten Biokunststoffe, die ausschließlich aus Spirulina bestehen, haben nicht nur ein ähnliches Abbauprofil wie organische Abfälle, sondern sind im Durchschnitt auch zehnmal stärker und steifer als die bisher bekannten Spirulina-Biokunststoffe. Diese Eigenschaften eröffnen neue Möglichkeiten für die praktische Anwendung von Kunststoffen auf Spirulina-Basis in verschiedenen Branchen, darunter Einwegverpackungen für Lebensmittel oder Haushaltskunststoffe wie Flaschen oder Tabletts".

 

Anbau in großem Maßstab möglich

Die Forscher haben sich aus mehreren Gründen für die Verwendung von Spirulina zur Herstellung ihrer Biokunststoffe entschieden. Zunächst einmal kann sie in großem Maßstab angebaut werden, da sie bereits für verschiedene Lebensmittel und Kosmetika verwendet wird. Außerdem binden Spirulina-Zellen während ihres Wachstums Kohlendioxid, was diese Biomasse zu einem kohlenstoffneutralen bzw. potenziell kohlenstoffnegativen Ausgangsstoff für Kunststoffe macht.

"Spirulina hat auch einzigartige feuerbeständige Eigenschaften", sagte der Hauptautor Hareesh Iyer, ein Doktorand der UW im Bereich Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. "Wenn sie einem Feuer ausgesetzt wird, erlischt sie sofort von selbst, im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Kunststoffen, die entweder verbrennen oder schmelzen. Diese feuerbeständige Eigenschaft macht Kunststoffe auf Spirulina-Basis vorteilhaft für Anwendungen, für die herkömmliche Kunststoffe aufgrund ihrer Entflammbarkeit nicht geeignet sind. Ein Beispiel wären Kunststoffgestelle in Rechenzentren, da die Systeme, die zur Kühlung der Server verwendet werden, sehr heiß werden können.

Die Herstellung von Kunststoffprodukten erfordert häufig einen Prozess, bei dem der Kunststoff durch Hitze und Druck in die gewünschte Form gebracht wird. Das UW-Team verfolgte bei seinen Biokunststoffen einen ähnlichen Ansatz. "Das bedeutet, dass wir die Fertigungsstraßen nicht von Grund auf neu entwerfen müssen, wenn wir unsere Materialien in industriellem Maßstab einsetzen wollen", so Roumeli. "Wir haben eine der üblichen Barrieren zwischen dem Labor und der Skalierung auf den industriellen Bedarf beseitigt. Viele Biokunststoffe werden beispielsweise aus Molekülen hergestellt, die aus Biomasse wie Algen extrahiert und mit Leistungsmodifikatoren gemischt werden, bevor sie zu Folien gegossen werden. Bei diesem Verfahren müssen die Materialien vor dem Gießen in Form einer Lösung vorliegen, und das ist nicht skalierbar.

 

Materialien sind stark aber spröde

Andere Forscher haben Spirulina zur Herstellung von Biokunststoffen verwendet, aber die Biokunststoffe der UW-Forscher sind stärker und steifer als frühere Versuche. Das UW-Team optimierte die Mikrostruktur und die Bindung in diesen Biokunststoffen, indem es die Verarbeitungsbedingungen - wie Temperatur, Druck und Zeit im Extruder oder in der Heißpresse - veränderte und die strukturellen Eigenschaften der resultierenden Materialien, einschließlich ihrer Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit, untersuchte.

Diese Biokunststoffe sind noch nicht ganz reif für den industriellen Einsatz. So sind diese Materialien zwar stark, aber immer noch recht spröde. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass sie empfindlich gegenüber Wasser sind.

Das Team befasst sich mit diesen Problemen und untersucht weiterhin die grundlegenden Prinzipien, die das Verhalten dieser Materialien bestimmen. Die Forscher hoffen, durch die Schaffung eines Sortiments von Biokunststoffen für verschiedene Situationen geeignet zu sein. Dies wäre vergleichbar mit der Vielfalt der bestehenden Kunststoffe auf Erdölbasis.
Die neu entwickelten Materialien sind außerdem recycelbar.

Die Forschung wurde von Microsoft, Meta und der National Science Foundation finanziert.

Nachhaltige Verpackungen: der große Überblick

Grafik von Lebensmitteln im Supermarktregal
(Bild: sabelskaya - stock.adobe.com)

Sie wollen alles zum Thema nachhaltige Verpackungen wissen? Klar ist, dass der Bedarf an nachhaltigen Verpackungen in den kommenden Jahren stark steigen wird. Aber das Thema ist komplex: Wann gilt denn überhaupt eine Verpackung als nachhaltig und welche Kriterien müssen dabei künftig erfüllt sein? Alles was man dazu wissen sollte, erfahren Sie hier.

 

Sie möchten gerne weiterlesen?