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Biopolymer Ein altgriech βίος bíos Leben mit altgriechisch πολύ polý viel und μέρος méros Teil ist ein Polymer das in de

Biopolymer

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).

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.

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 Bearbeiten

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 Bearbeiten

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 Bearbeiten

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:

Biobasierte Polymere Bearbeiten

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

Abbaubare, erdölbasierte Polymere Bearbeiten

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

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 Bearbeiten

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 Bearbeiten

Weblinks Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

  • 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.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. ↑ H.-J. Endres, A. Siebert-Rath: Technische Biopolymere. Hanser-Verlag, München 2009, ISBN 978-3-446-41683-3.
  2. Biopolymere. Abgerufen am 18. Januar 2017.
  3. ↑ Biokunststoffe. european-bioplastics.org, Interessenverband European Bioplastics, abgerufen am 27. März 2010.
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Biopolymer altgriech bios bios Leben mit altgriechisch poly poly viel und meros meros Teil ist ein Polymer das in der Zelle eines Lebewesens synthetisiert wird In Form z B von Polysacchariden Proteinen Nukleinsauren etc dienen Biopolymere als Energiespeicher Glykogen Starke haben strukturelle Funktionen fur die Zelle Lipidmembranen oder den gesamten Organismus Cellulose in Fasern wirken im Stoffwechsel Stoffaufnahme transport Enzym Exkretion erkennen Zustande Sensorik bewirken Veranderungen Muskulatur Farbwechsel wehren schadigende Einflusse aktiv ab Toxine Immunologie speichern oder vermitteln Information genetisch hormonell ZNS Ein in der Natur sehr haufiges vorkommendes aber auch in technischen Anwendungen genutztes Biopolymer ist die Cellulose Bis zu tausende Einheiten dieser Grundstruktur Cellobiose Rest sind dabei zu einem Cellulosemolekul verknupft Haufig 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 fur 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 erdolbasierte Polymere die biologisch abbaubar sind Damit erfolgt eine Abgrenzung von den konventionellen erdolbasierten Werkstoffen bzw Kunststoffen die nicht biologisch abbaubar sind wie z B Polyethylen PE Polypropylen PP und Polyvinylchlorid PVC 1 Bei anderen Definitionen werden Erdolprodukte nicht zu den Biopolymeren biogenen Polymeren gezahlt Dagegen konnen sowohl native Polymere z B Cellulose und Cellulosederivate als auch biobasierte Kunststoffe die durch umfassende chemische Veranderung der biogenen Rohstoffe hergestellt wurden z B Polylactide PLA aus mit Hilfe der weissen Biotechnologie erzeugter Milchsaure dazugezahlt werden 2 Ein verwandter Begriff ist Biokunststoff der ebenfalls nicht einheitlich verwendet wird und sich teilweise oder stark mit dem Begriff Biopolymer uberschneidet Auch hier wird die Vorsilbe Bio abhangig von der jeweiligen Definition als biogen oder biologisch abbaubar verstanden und kann sowohl bio basierte Kunststoffe als auch biologisch abbaubare Kunststoffe bezeichnen 3 Inhaltsverzeichnis 1 Naturliche Biopolymere 2 Technische Biopolymere 2 1 Native Polymere 2 2 Biobasierte Polymere 2 3 Abbaubare erdolbasierte Polymere 3 Biologischer Abbau 4 Siehe auch 5 Weblinks 6 Literatur 7 EinzelnachweiseNaturliche Biopolymere BearbeitenIn 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 aufgefuhrt Polymer Monomer e Bindungstyp VorkommenProteine und Peptide Aminosauren Amid bzw Peptidbindung in allen Lebewesen als Enzyme Gerustsubstanzen Stofftransportsysteme Chemorezeptoren usw Nukleinsauren Nukleotide Phosphodiesterbindung DNA in allen Lebewesen und vielen Viren als Informationstrager der Erbsubstanz RNA z B als mobiler Informationstrager mRNA a Polysaccharide Mono bzw Disaccharide a glykosidische Bindung als Energiespeicher Starke in Pflanzen Glykogen in Tieren b Polysaccharide Mono bzw Disaccharide b glykosidische Bindung als Gerustsubstanz Cellulose in Pflanzenwanden Chitin in Pilzen Arthropoden und Kopffussern Chitosan in Pilzen Lipide Carbonsauren und Alkohole Esterbindung in allen Lebewesen als Energiespeicher und Bausteine von Zellmembranen in manchen Hormonen und PigmentenPolyhydroxyalkanoate PHA Hydroxyalkanoat Esterbindung als bakterieller Reservestoff wie z B Polyhydroxybutyrat PHB Cutin C16 und C18 Hydroxyfettsauren Esterbindung zur Versiegelung von Pflanzenzellen gegen WasserSuberin Glycerin und Polyphenole Ether und C C Bindungen zur Versiegelung von Pflanzenzellen fur WassertransportLignin Phenylpropanderivate Cumaryl Coniferyl oder Sinapylalkohol Ether und C C Bindungen als Gerustsubstanz bei verholzenden PflanzenTechnische Biopolymere Bearbeiten Hauptartikel Bio basierter Kunststoff Technische Biopolymere Biowerkstoffe lassen sich laut der Definition von Endres und Siebert Rath in die drei in den nachfolgenden Absatzen erlauterten Kategorien unterteilen 1 Diese Definition deckt sich mit der von der European Bioplastics verwendeten Definition von Biokunststoff die jedoch keine Allgemeingultigkeit hat 3 Werden Biopolymere dagegen als biologisch abbaubare Polymere definiert sind nicht alle im Folgenden unter Native Polymere und Biobasierte Polymere aufgefuhrten Beispiele dazuzuzahlen Kunststoffe sind meist keine homogenen Produkte sondern benotigen verschiedene Hilfs und Zusatzstoffe die haufig erdolbasiert sind Nur teilweise ist ein Ersatz durch biobasierte Komponenten moglich Native Polymere Bearbeiten siehe auch Artikel Cellulose Starkepolymer und Starke als nachwachsender Rohstoff nbsp Verpackung aus dem Biokunststoff CelluloseacetatIn der Natur bzw in Biomasse vorkommende Polymere wie z B Cellulose und Starke konnen ohne oder mit nur geringen Veranderungen bzw unter Erhalt der Grundstruktur zur Erzeugung von Biopolymeren verwendet werden Cellulose und bestimmte Cellulosederivate Regeneratfasern wie Viskose und Cellophan Zelluloid Starke Thermoplastische StarkeBiobasierte Polymere Bearbeiten Organische Verbindungen wie z B Starke bzw Saccharose konnen umfassend modifiziert werden um biobasierte Polymere herzustellen Polylactid PLA Polymer der Milchsaure 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 Olen aktuell vor allem Lein und Palmol Abbaubare erdolbasierte Polymere Bearbeiten Bestimmte erdolbasierte Kunststoffe sind biologisch abbaubar und werden daher gelegentlich als Biopolymere oder Biokunststoffe bezeichnet 3 bestimmte Polyester Polyvinylalkohol Polybutylenadipat terephthalat PBAT Polybutylensuccinat PBS Polycaprolactone PCL Polyglycolid PGA Einige erdolbasierte Polymere sind technisch und auch zunehmend kommerziell auf der Basis nachwachsender Rohstoffe herstellbar vor allem Polybutylensuccinat PBS und Polybutylenadipat terephthalat PBAT In diesen Fallen werden Bernsteinsaure und oder 1 4 Butandiol biotechnologisch hergestellt Biologischer Abbau Bearbeiten Hauptartikel Biologischer Abbau und Biologisch abbaubarer Werkstoff Die biologische Abbaubarkeit ist vor allem fur die spatere Entsorgung des Werkstoffs relevant Unter okologischen und Nachhaltigkeitsaspekten sind abbaubare Kunststoffe von zunehmendem Interesse und von zunehmender wirtschaftlicher Bedeutung Zu bedenken ist dass Polymere aus naturlichen oder biobasierten Rohstoffen haufig biologisch abbaubar sind aber auch Produkte erzeugt werden konnen die bestandig sind Ebenso sind Polymere aus fossilen Rohstoffen zwar haufig von hoher Bestandigkeit aber auch abbaubare Produkte konnen erzeugt werden siehe Absatz Abbaubare erdolbasierte Polymere Je nach Anwendung werden unmodifizierte Roh Biopolymere mit anderen Roh Biopolymeren vermischt geblendet um die gewunschten Eigenschaften zu erreichen Hersteller von solchen Blends sind z B Novamont Biotec FKuR und Limagrain Siehe auch BearbeitenBiowerkstoffWeblinks BearbeitenBiopolymer Database Datenbank mit Eigenschaften von Biopolymeren fur technische Anwendungen erstellt von der FH Hannover und M Base Engineering Software GmbH Fraunhofer Institut fur Angewandte Polymerforschung Forschung und Entwicklung unter anderem im Bereich Biopolymere Umweltbundesamt Untersuchung der Umweltwirkungen von Verpackungen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen PDF 3 1 MB 2012Literatur BearbeitenP 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 Munchen 2009 ISBN 978 3 446 41683 3 Einzelnachweise Bearbeiten a b H J Endres A Siebert Rath Technische Biopolymere Hanser Verlag Munchen 2009 ISBN 978 3 446 41683 3 Biopolymere Abgerufen am 18 Januar 2017 a b c Biokunststoffe european bioplastics org Interessenverband European Bioplastics abgerufen am 27 Marz 2010 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Biopolymer amp oldid 224406209