Biopolymerforschung − Die Natur effizient nutzen

Der Forschungsbereich Biopolymere konzentriert sich zum einen auf industriell verfügbare Biopolymere wie Cellulose, Stärke, Lignin, Chitosan, pflanzliche und tierische Proteine, zum anderen werden Biopolymere aus Produkten der Agrar- und Forstwirtschaft mit neu entwickelten Methoden gewonnen, um die Nutzungsmöglichkeiten für nachwachsende Rohstoffe zu erweitern und eine ganzheitliche Wertschöpfung unserer Biomasse zu erreichen.

Bei der Entwicklung biobasierter Produkte stehen Aspekte wie Funktionalität, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit mit dem Ziel im Vordergrund, in vielen Anwendungen Erdöl als Grundstoff durch nachwachsende Rohstoffe zu ersetzen. Dabei werden neue Lösungsansätze zur Rohstoffsicherung unserer chemischen Industrie, für die Sicherung der Welternährung sowie zur Reduzierung schädlicher Emissionen erschlossen.

Die Anwendung von Biopolymeren ist beispielsweise in den Industriezweigen Lebensmittelherstellung, Pharmaprodukte, Medizintechnik, Chemische Industrie, Kunststoffverarbeitung und Fahrzeugbau etabliert.

Unser Leistungsspektrum

Cellulose

  • Viskoseverfahren / Carbamatverfahren / Lyocellverfahren
  • Optimierung von Prozessen zur Papierherstellung
  • Bakteriencellulose

 

Lignin

  • Ligninanalytik
  • Präkursormaterial für Carbonfasern
  • Anwendung in thermoplastischen Systemen und Compositen

 

Stärke

  • enzymatische und chemische Derivatisierung 
  • Reaktivextrusion
  • Anwendung z. B. als Barrierecoating, Bindemittel, funktioneller Lebensmittelzusatzstoff, Tablettiermittel, Klebemittel für Holzfaserplatten

 

Rohstoffuntersuchung, Materialcharakterisierung und -prüfung

  • umfassende chemische und physikalische Analytik 
  • Charakterisierung von organischen und anorganischen Substanzen und Gemischen
  • einsatzorientierte Prüfung (z. B. thermisch, mechanisch, Barriereeigenschaften) von Pulver, Fasern, Folien, Formkörpern 

 

Kunststoffverarbeitung

  • Materialentwicklung aus Biopolymeren, biobasierten Polymeren und aus Biomasse (Thermoplaste, Composite)
  • Verfahrensentwicklung zur physikalischen, enzymatischen und chemischen Modifizierung von Biopolymeren und Biomasse für Materialien und Spezialprodukte
  • Materialerprobung und –optimierung von Verarbeitungseigenschaften und –verfahren
  • Entwicklung von Fasern und Vliesstoffen
  • Compoundieren und Additivieren 
  • Strangextrusion und Granulierung
  • Blasfolien- und Flachfolienherstellung (3-Schicht-Folien)
  • Blasformverfahren (Ein- und Zweischichtaufbau)
  • Spritzgießen
  • Thermoformen 
  • 3D-Druck / Fused Deposition Modeling (FDM), inkl. 3D-Druck-Filamentherstellung

 

Carbonfasern

  • Präkursorherstellung inkl. Spinn-Technologien 
  • PAN- und lignocellulosische Präkursoren
  • kontinuierliche Konversion bis 3000 °C
  • begleitende physikalische, chemische und strukturelle Charakterisierung bis zur Carbonfaser

Unsere Forschungsthemen

Biopolymere bieten als Syntheseprodukte der Natur eine beeindruckende Vielfalt von makromolekularen Strukturen und davon abhängigen physikalischen Eigenschaften. Sie werden in erneuerbaren Rohstoffen gebildet, die nicht endlich verfügbar sind. Traditionell werden spezifische Verfahren zu ihrer Isolierung im industriellen Maßstab weltweit genutzt. Diese Biopolymere stehen für Produktentwicklungen zur Verfügung und besitzen ein unerschöpfliches Potenzial zur Optimierung für verschiedene Anwendungen.

Der Forschungsbereich Biopolymere forscht mit wissenschaftlichen und technologischen Expertisen mit folgenden Schwerpunkten:

  • Gewinnung von Biopolymeren
  • Anwendung und Optimierung chemischer und biotechnologischer Prozesse zur direkten stofflichen Verwertung von Biomasse durch Extraktion und Verarbeitung von Inhaltsstoffen aus Produkten der Agrar- und Forstwirtschaft
  • Untersuchung von Morphologie, Struktur im Festkörper und physikalischer Eigenschaften
  • Ermittlung der chemischen Zusammensetzung und molekularer Eigenschaften
  • Entwicklung funktionaler Biopolymere durch physikalische, enzymatische und chemische Modifizierung
  • Untersuchung von Prozessbedingungen unterschiedlicher Technologien in der Entwicklung von  Materialien wie z. B. Composite, Folien, Fasern, Nonwovens, Thermoplaste und Duromere, Membranen, Polyole, Hygieneartikel
  • Erweiterung des Eigenschaftsprofils durch Verarbeitung in Kombination mit biobasierten und synthetischen Polymeren
  • Entwicklung von Specialties wie Mikro- und Nanopartikel, verkapselnde Biopolymere und Wirkstoffträger, Papieradditive, Bauhilfsstoffe, Adsorbtionsmittel, Klebstoffe, Latexersatzstoffe, Polymerlösungen und -dispersionen, Gele, funktionale Lebensmitteladditive

Unsere Ausstattung

Compound-Herstellung

  • flexibel konfigurierbare Doppelschneckenextruder bis 15 kg / h
  • konische Doppelschneckenextruder für Kleinstmengen ab 5 cm³
  • Messkneter
  • Extrusionsblasformmaschine
  • physikalische Verschäumungseinheit Optifoam
  • Plattenpressen bis 300 x 300 mm² Pressfläche
  • 3D-Drucker

 

Folien-Herstellung

  • Chill-Roll Anlagen
  • Werkzeuge für Gießfolien und Flachfolien in 1-Schicht, 3-Schicht und 5-Schicht Ausführung
  • Labor-Blasfolien-Anlagen
  • monoaxiale Labor-Reckanlage für Folien und Fasern
  • Thermoform- und Skin-Pack-Geräte

 

Spritzguss

  • Kolben-Spritzgießgerät für Kleinstmengen
  • Spritzgießautomaten

 

Faserspinn-Anlagen

  • Fourné Labor-Bikomponenten-Schmelzspinnanlage
  • Lyocell-Laborspinnanlage
  • Nassspinnanlagen
  • Technikums-Viskose-Anlage nach Blaschke

 

Carbonfaser-Anlagen

  • Batch-Ofen bis 1700 °C
  • Stabilisierung bis 400 °C (Durchlauföfen)
  • LT-Carbonisierung bis 1000 °C (Durchlauföfen)
  • HT-Carbonisierung bis 2000 °C (Durchlaufofen)
  • UHT-Carbonisierung / Graphitisierung bis 3000 °C (Durchlaufofen)

 

Spektroskopie

  • hochauflösende NMR-Spektrometer für Flüssigkeiten und Festkörper
  • konfokales Raman / PL Mikroskop-System
  • optisches Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES)
  • Massenspektrometer
  • UV / VIS-Spektrometer

 

Chromatographie

  • Kapillar-Gaschromatograph mit Flammionisationsdetektor (FID) und Massenspektrometer
  • Hochleistungs-Flüssig-Chromatograph (HPLC)
  • Hochleistungs-Anionenaustausch-Chromatograph (HPAEC)
  • Ionenchromatograph (IC) und Combustion Ionenchromatograph (CIC)
  • Gel-Permeations-Chromatograph mit Multidetektion (VISCO, MALLS, UV, RI, ELSD)          

                      

Morphologie und Strukturaufklärung

  • Lichtmikroskope mit Video- und Bildanalysetechnik
  • Polarisationsmikroskop
  • Rasterelektronenmikroskop (REM) inkl. Röntgenmikroanalyse (EDX) und Kryopräparation feuchter Proben
  • Transmissionselektronenmikroskop (TEM) inkl. Ultradünnschnitttechnik, Kryomikrotomie und Abdrucktechniken
  • Röntgengeräte für Weitwinkel- (WAXS) und Kleinwinkelstreuung (SAXS)

 

Materialkenndaten

  • klimatisiertes, mechanisches Prüflabor (u. a. Universal-Zugprüfmaschine, Kerbschlaggerät, Dauerbiegeprüfgerät)
  • Dart-Drop (Fallbolzen)-Gerät
  • dynamisches Scanning-Kalorimeter (DSC)
  • Gerät zur dynamisch-mechanischen Analyse (DMA)
  • Geräte zur Bestimmung der Materialfeuchte
  • Dichtebestimmung von Festkörpern und Flüssigkeiten (u. a. Gradientensäule, Helium-Pyknometer)
  • Vibroskop zur Bestimmung der Feinheit von Fasern
  • Permeations-Messstände für Gase (Wasserdampf, Sauerstoff) und Flüssigkeiten
  • Respirometer (biologischer Abbau)
  • Messstände zur Brandprüfung

 

Rheologie

  • automatisches Kapillar-Viskosimeter für Lösungsviskosität
  • Oszillationsrheometer
  • Rotationsviskosimeter
  • Rheometer-Hochdruckmesszelle für Lösungsviskosität bis 160 °C
  • Schmelzindex-Prüfgeräte

Highlights

»AllPLACo«
Selbstverstärkendes Einkomponenten-Verbundmaterial auf Basis von Polymilchsäure

Im Rahmen des BMEL- geförderten Projekts »AllPLACo« (Projektbeginn 2021) arbeitet das Fraunhofer IAP an der Entwicklung von PLA-basierten Filamentgarnen, -folien sowie eigenverstärktem Monomaterial. Durch das Ausnutzen der Stereokomplexierung wird hierbei eine Verbesserung der thermischen Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen PLA-Produkten adressiert, um diese im technischen Segment anwenden zu können. Dank industrieseitiger Beteiligung durch Trevira GmbH, Tesa SE sowie durch die TechnoCompound GmbH sollen die entwickelten Prozesse nach 2,5 Jahren Projektlaufzeit möglichst in den Industriemaßstab übertragen werden.

 

»BeBIO2«
Beständigkeit von Biokunststoffen und Bioverbundwerkstoffen

Um dem Mangel an Informationen über biogene Materialsysteme insbesondere bei klein- und mittelständischen Unternehmen entgegenzuwirken und somit den Einsatz biobasierter Materialien zu erhöhen, werden innerhalb des FNR-geförderten Verbundprojekts »BeBIO2« (2021 - 2024) zusammen mit dem IfW (Universität Kassel), dem IKT (Universität Stuttgart) und der Firma Altair Engineering GmbH Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe u. a. hinsichtlich ihrer Beständigkeit untersucht und die Materialkenndaten in eine zugängliche Datenbank eingepflegt. Neben der Erstellung der Datenbank erfolgt die Evaluierung und Entwicklung biobasierter Materialsysteme für spezifische Anwendungsbereiche wie z. B. hochgefüllte PE-Ligninblends für den Außen-/Baubereich, PLA-Stärke-Blends für technische Büroausstattungen und Spielzeug, cellulosefaserverstärkte Biokunststoffe im Consumerprodukte-Bereich oder naturfaserverstärkte PHBV-Compounds für Elektrowerkzeuggehäuse.

 

»LigOdor«
Geruchsreduzierung bei thermoplastischen Ligninblends

Als Nebenprodukt der Zellstoffherstellung und als eines der am häufigsten nachwachsenden Rohstoffe verstärkt Lignin als Blendpartner polyolefinische Materialien wie PE und generiert somit ein höheres mechanisches Eigenschaftsprofil. Auf Grund der thermischen Beanspruchung während der thermoplastischen Verarbeitung, werden geruchswirksame Bestandteile freigesetzt. Das von der FNR geförderte Projekt »LigOdor« (2020 - 2023) thematisiert diesen, während der thermoplastischen Blendherstellung auftretenden Nebeneffekt und fokussiert sich auf die Geruchsreduzierung bei Ligninblends. Es werden Verfahren wie z. B. die Additivierung mit Adsorbern und finale Beschichtungen aufgegriffen, um die Emission der olfaktorisch wirksamen Substanzen höchstmöglich zu reduzieren.

 

»NaHoStar«
Nachhaltige Holzbeschichtungen auf Stärkeester-Basis 

Um das Naturprodukt Holz in Zukunft auch mit einer biobasierten Beschichtung anstelle einer synthetischen Beschichtung vor negativen Umwelteinflüssen schützen zu können, forschen das Fraunhofer IAP zusammen mit dem Fraunhofer IPA im FNR-geförderten Projekt »NaHoStar« an Bindemitteln für Holzbeschichtungen auf Basis des nachwachsenden Rohstoffs Stärke. Das Projekt soll innerhalb von 2,5 Jahren (2020 - 2022) das Potential von Stärke in Holzschutzbeschichtungen aufzeigen. Durch das Zusammenspiel von gezielter Modifizierung der Stärke, einer weiteren Additivierung der Farbe mit möglichst biobasierten Zusätzen und der Durchführung von praxisrelevanten Anwendungstests sollen biobasierte Systeme für Innen- und auch Außenanwendungen entwickelt werden.

Jens Buller

Contact Press / Media

Dr. Jens Buller

Abteilungsleiter | Stärkemodifikation / Molekulare Eigenschaften

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14469 Potsdam

Telefon +49 331 568-1478

André Lehmann

Contact Press / Media

Dr. André Lehmann

Abteilungsleiter | Fasertechnologie

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1510

Johannes Ganster

Contact Press / Media

Prof. Dr. Johannes Ganster

Abteilungsleiter | Materialentwicklung und Strukturcharakterisierung

Fraunhofer IAP
Geiselbergstraße 69
14476 Potsdam-Golm

Telefon +49 331 568-1706

Thomas Büsse

Contact Press / Media

Dipl.-Ing. Thomas Büsse

Verarbeitungstechnikum Biopolymere Schwarzheide

Fraunhofer IAP
Schipkauer Str.1 BSW-Standort A 754
01987 Schwarzheide

Telefon +49 331 568-3403