Biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen unter realen … · 2019. 11. 11. · Biologische...
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Biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen unter realen Umweltbedingungen Textiles Mikroplastik reduzieren -Lösungsansätze aus Forschung und Industrie 07.11.2019, Berlin Prof. Dr. Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Gunnar Seide, Maastricht University
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Biologische Abbaubarkeit von Kunststoffen unter realen Umweltbedingungen
Textiles Mikroplastik reduzieren -Lösungsansätze aus Forschung und Industrie
07.11.2019, Berlin
Prof. Dr. Ing. habil. Dipl.-Wirt. Ing. Gunnar Seide, Maastricht University
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
2
Aachen
Geleen
Maastricht30 km
Center Court of
AMIBM Value Chain Approach
Prof. Rastogi: Polymer Physics and Technology
Prof. Seide:Polymer
Engineering
Prof. Jockenhövel:Biobased Materials
for Medicine
Assoc. Prof. vd Meer: Sustainability of
Biobased Materials
Ass. Prof. Bortesi:Molecular &
Applied Biotechnology
Prof. Pich: Biobased Monomers
& Polymers
4
• Begriffschaos
• Bioabbaubarkeit was ist das?
• Recycling
• Beispiele aus unserer Forschung
• Resumé
Gliederung
Buzzword chaos
Resorbable Bio-based Bio compatible Green
Ecological Environmental friendly
Biotechnologically produced Bio-degradable Feedstock Sustainable Biogenic
Grey bio tech White bio tech Blue bio tech Green bio tech Red bio tech Oxo polymers
Compostable Home compostable Industrial compostable Toxic Carbon Footprint
Natural Recycling Up cycling Down cycling Chemical recycling
Mechanical recycling
Drop in polymers Seawater degradable Micro plastic Mechanical degradation
UV-degradation
Gamma-degradation Thermo-oxidative degradation Hydrolysis Marine litter
First generation bio-polymers Second generation biopolymers Eco efficiency analysis
Enzymatical degradable Fair trade
(a) Biologischer Abbau - Wirkung von lebenden Organismen in der Regel Mikroben.
(b) Photodegradation - Einwirkung von Licht (meist Sonnenlicht im Freien).
(c) Thermooxidativer Abbau - langsamer oxidativer Abbau bei gemäßigten Temperaturen.
(d) Thermischer Abbau - Wirkung von hohen Temperaturen.
(e) Hydrolyse - Reaktion mit Wasser.
Abbaumechanismen
• Enzyme sind spezifische Biokathalysatoren
a) Biologisch - Wirkung von lebenden Organismen in der Regel Mikroben.
Wikunia.de
Wikunia.de
Schlüssel Schloss, Kristalle …
REM image of „Chi5“
• Crab shells: food industry waste containing chitin
• Bacterial strain „Chi5“ is able to degrade chitin
• Development of „Chi 5” enzymes to target conversion from chitin to chitosan
Ass. Prof. Bortesi:Molecular &
Applied Biotechnology
Enzymatic conversion of Chitin into Chitosan
• Erdöl?
Was ist biologisch abbaubar?
• Erdöl?
Was ist biologisch abbaubar?
Alcanivorax borkumensis
[Biodegradable Waste Management Eliot Fox S. 11]
• Polyethylen?
Was ist biologisch abbaubar?
• Polyethylen?
Was ist biologisch abbaubar?
Julianna Peixotoa, Luciano P. Silvab, Ricardo H. Krügera:
Brazilian Cerrado soil reveals an untapped microbial
potential forunpretreated polyethylene biodegradation,
Journal of Hazardous Materials 324 (2017) 634–644
Cellular adhesion and viability of Comamonas sp., Delftia sp., and Stenotrophomonas sp. on
the surface of PE film with PE as the sole carbon source.
• Autoreifen?
Was ist biologisch abbaubar?
• Autoreifen?
Candida methanosorbosa BP-6 strain “isolated from the area of old dye factory in Zgierz, Poland”
Marchut-Mikołajczyka, Drożdżyńskia, Januszewiczb, Domańskic, Wrześniewska-
Tosikd: Degradation of ozonized tire rubber by aniline – Degrading Candida
methanosorbosa BP6 strain Journal of Hazardous Materials Volume 367, 5 April 2019,
Pages 8-14
Was ist biologisch abbaubar?
Feedstock recycling:
The back-reaction,
the hydrolysis,
can be done by enzymes.
Bioengineers are working
on optimized enzymes.
Latest status found
see CARBIOS;
enzymes need < 24h from
bottle to monomers,
Degree of purity:
Good for new bottles…
Bacteria
Indeonella
Sakaiensis
201 – F6
PETase
Industrial recycling of polyethylene terephthalate, PET
• Der Photodegradation ist der Abbau eines photodegradierbaren Moleküls durch die Absorption von Photonen, insbesondere der im Sonnenlicht vorkommenden Wellenlängen, wie Infrarotstrahlung, sichtbares Licht und ultraviolettes Licht.
• UV Stabilisatoren sollen dies Verhindern…
(b) Photodegradation - Einwirkung von Licht (meist Sonnenlicht).
http://www.justscience.in/articles/what-is-photodegradation/2017/07/26
• Luftsauerstoff• Aber auch Additive die
oxidativen Abbau verbessern• „Wegwerfprodukte aus Plastik:
Parlament stimmt für Verbot ab 2021 […] Abgeordnete weiten Verbot auf oxo-abbaubare Materialien und bestimmte Styropore aus“
• Stabilisatoren sollen dies verhindern…
(c) Thermooxidativer Abbau - langsamer oxidativerAbbaubei gemäßigten Temperaturen.
Beispielsubstanzen:Metallsalze mit Eisem, Kobalt, ManganFerroceneMetalloxide: TiO2, ZnOPeroxide
Kommerzielle Hersteller:EPI, Nor-X industries, Wells plastics ltd, Symphony Environmental
Ammalaa, Batemana, Deana, Petinakisa, Sangwana, Wonga, Yuana, Yua, Patrickb: An overview of degradable and biodegradable polyolefins, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1015–1049
• Problem bei der Verarbeitung imSchmelzezustand
• Unter Umweltbedingungen kaumrelevant
(d) Thermal degradation - Wirkung von hohen Temperaturen.
• Insbes. Polykondensate
• PET, PLA
• PET Vortrocknung
• Geschwindigkeit Abhängig von:• Temperatur
• Kristallinität
• Feuchte
(e) Hydrolyse - Reaktion mit Wasser
Gleichgewichtsreaktion…
• PET Erfahrung Spinnerei (Robert)
• Oder erst UV oder Oxidation dann biologisch…
In der Regel Kombinationen von Abbaumechanismen
SEM micrographs of thermally oxidised films after incubation for 2 months with bacterium N. asteroids.
Ammalaa, Batemana, Deana, Petinakisa, Sangwana, Wonga, Yuana, Yua, Patrickb: An overview of degradable and biodegradable polyolefins, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1015–1049
• Relativ hohe chemische und physikalische Stabilität ist gerade der große Vorteil von Kunststoffen
• Abbaubarer Airbag?, Dachbahnen, Luftfilter im Auto, Bekleidung, …
• Nur bei disposables denkbar und selbst diese müssen i.d.R. lagerfähig sein
• Wir brauchen Trigger für den Abbau
• Z.B. Schutzoberflächen
Abbau versus Haltbarkeit
• Energieaufwand der Herstellung geht beim Abbau ungenutztverloren
• Beispiel PLA Industrielle Kompostierung braucht Energie• Recycling durch Enzyme soll Energie zur Degradation sparen
• Transportaufwand in Stoffkreisläufen könnte wegfallen …
• Abbau ist interessant als Lösung für das Mikroplastikproblem
• Recycling und Abbau sind keine Alternativen sondern Lösungen verschiedener Probleme
• Kunststoffe dürfen beim Abbau nicht zu problematischen Stoffen führen.
Abbau versus Recycling
23 BioTex
pH-neutral PLA-fiber
pH
t1
7
PLA Fiber
pH
t1
7PLA Fiber
+ Buffer (HEPES)
PLA Fiber+
µ-gels
pH
t1
7
PLA plus µ-gel optimal buffer characteristics
max
. Zu
gfe
stig
keit
PLA PLA PLA+
HEPES+
µGel
Fiber Composition PLA plus µ-gel Currently: Inadequate mechanical properties Inacceptable reproducibility
Coextrustion of PLA plus µ-gels: defined geometrie = mech. Properties in combination with optimal buffer capacity
critical pH valueBeispiel abbaubarer Nähfaden in der Medizin
24 BioTex
pH
t1
7
PLA Fiber
pH
t1
7PLA Fiber
+ Buffer (HEPES)
PLA Fiber+
µ-gels
pH
t1
7
PLA plus µ-gel optimal buffer characteristics
max
. Zu
gfe
stig
keit
PLA PLA PLA+
HEPES+
µGel
Fiber Composition PLA plus µ-gel Currently: Inadequate mechanical properties Inacceptable reproducibility
Coextrustion of PLA plus µ-gels: defined geometrie = mech. Properties in combination with optimal buffer capacity
critical pH value
pH-neutrale Nähfäden
• Blends
• Füllstoffe
• Farbstoffe
• Weichmacher
• Flammschutzmittel
• Faserverstärkungen
• UV-Stabilisatoren
• …
Kunststoffe sind Mischungen…
• Fasermischungen z.B. PET/Baumwolle
• Laminate
• Teppich als Beispiel: Erfahrung aus EU Projekt
• Design for Recycling• Materialmischungen sind Know How,
aber Recycling braucht Information über das Produkt
• Trennbare Fügestellen notwending, aber es soll stabil gefügt werden
• …
Kunststoffprodukte / Textilien sind komplexe Strukturen
https://www.rollo-rollo.de/produkte/foto-teppich-teppichdruck/
Projektbeispiele
Monomaterialteppich
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
• Carpets are complex textile
structures
• High quality automotive carpets from
bicomponent backing e.g. Low Bonar
• Allows high degree of deformation
for thermoformingSheath-PP
Core-PA, PET
Pile
Primary backing
Adhesive
Secondary backing
Monomaterial carpet backing
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
• PLA exists as 2 stereoisomers
- Melting point tailored based on
d-, l- content
- 2 grades with different melting
points
• Bicomponent yarn was produced
• Compared with commercial backing
from Low & Bonar
Monomaterial carpet backing
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
• Performed equivalent to comercial backing in Vettermann Drum test
• Performed better than commercial backing in Lisson Tetrad test
• Thermoformed into automotive carpet
Thermoformed carpet from a) Commercial backing b) PLA backing Vetterman test specimen from PLA backing(left: 5000 cylces; right: 20000 cycles)
3 cm
Monomaterial carpet backing
Monomaterial-Verbünde
Bio4Self | Development of Bio-based Self-Reinforced Polymer Composites
T. Köhler | C. Vierkötter | M. Merke | L. Van der Schueren | T. Gries | G. Seide
The Fiber Society 2017 Spring Conference | May 19th 2017 | Aachen
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PLA verstärktes PLA
Reinforcing PLA fibres
PLA matrix
Epoxy resin
(sample preparation)
Monomaterialsysteme
Bio4Self – PLA reinforced PLA
Project consortium
This project has received funding from the
European Union’s Horizon 2020 research
and innovation programme under Grant
Agreement No 685614
Bio4Self – PLA reinforced PLA
Project consortium
This project has received funding from the
European Union’s Horizon 2020 research
and innovation programme under Grant
Agreement No 685614
Biobasierte Additive
Projects – BB100 “puur natuur”
Biobased softener and fire retardant
Biobased colorants
Biobased nucleating agents
Melt-spinning at
lab-scale
(Spinning) process
upscaling
Various textile demonstratorsP
LA
Processing Demonstrator manufacturingAdditive development Material development
Biobasierte Farbstoffe
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
Projects – Beautifully Biobased Fibres (BFBF)
This project is funded by the SIA
Supervisor under the RAAK-PRO scheme
• Development of sustainable and biobased colorants with improved light fastness and colour intensity
Bioabbaubare Flammschutzmittel
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
Flame Retardants– Intumescent Flame Retardants
INTUMESCENT: ??swelling up when heated – protecting the materialunderneath or sealing a gap in an event of fire
Polymer
O2 ΔT
Char layer OOxygen
15,999
8
Volatiles+ smoke
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
Biobased Intumescent Flame Retardants1
With this biobased IFR, an V-0 rating is achieved
PLA/APP10 PLA/APP15 PLA/APP20
PLA/APP20/ST3 PLA/APP20/ST5 PLA/APP20/ST7
180 µm
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
Intumescent Flame Retardants
Polymers 2019, 11, 48; doi:10.3390/polym11010048
Aachen-Maastricht Institute for Biobased Materials
Comparison of residual mass
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Mas
s re
sid
ue
%
Time [s]
Pure PLA
PLA/APP20/PER5
PLA/APP20/PER7
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250 300 350
Re
sid
ual
mas
s %
Time [s]
Pure PLA
PLA/APP20/KL5
PLA/APP20/KL7
FormulationResidual mass
(%)
PLA/APP20/PER5 25 ± 0.07
PLA/APP20/PER7 26 ± 0.08
PLA/APP20/KL5 40 ± 0.03
PLA/APP20/KL7 52 ± 0.02
Materialentwicklung und Upscaling
Polymer synthesis
20 L reactor at RWTH / DWI
Features• Temperature control (20 – 100°C)• Intensive mixing• Suited for large variety of solvents• Operation in batch or semi-batch mode
Prof. Pich: Biobased Monomers
& Polymers
Wet spinning infrastructure
Lab scale
• Batch processing (5 mL)
• Winding speed: x
• Testing of spinability of the
polymer
Pilot scale
• Continuous (20 mL)
• Winding speed: 120 m/min
• Upscaling to relevant
processing conditions
Technical scale
• Continuous (200 mL)
• Winding speed: 200 m/min
• Transferable to medical
industrial production
processes
Melt spinning infrastructure
Lab scale
• Batch processing (10 g)
• Winding speed 200 m/min
• Smallest plant of the world,
testing of new polymers
Pilot scale
• Continuous (1 kg/h)
• Winding speed 2000 m/min
• Upscaling to relevant
processing conditions
Technical scale
• Continuous (up to 10 kg/h)
• Winding speed 4.500 m/min
• Transferable to industrial
production processes
Melt spinning staple fibre infrastructure
Bicomponent line!
• Wettbewerbstdruck• Der Gesetzgeber muss den Druck machen und Kontrollieren!• Preis der Werkstoffe wichtig wegen Zuschlagskalkulation
• Recycling• PET massiv vertreten… (Techtextil 2019)
• „Commodities“ sind träge Technologien• Lösungen in Nischen aber nicht in der Breite
• Lange Prozessketten der Textilindustrie• Einführung schwierig
• Wie würde Ihr CEO Mikroplastik bezüglich der Haftung bewerten wenn man es Ihrem Unternehmen zuordnen könnte?
Stimmung in der Textilindustrie
• Verschiedene Mechanismen des Abbaus werden umgangssprachlichunter biologisch abbaubar subsummiert.
• Praktisch immer Kombination der Mechanismen
• Stabilität von Kunststoffen ist ein großer Nutzen
• Abbaubarkeit ist das Gegenteil von Stabilität solange es keinen Trigger zum Abbau gibt
• Recycling + Abbau nicht Recycling v Abbau
• Wir entwickeln biobasierte und abbaubare Produkte
• Wir skalieren vom Labor bis in den Technikumsmaßstab
Zusammenfassung
Vielen Dank!
