Biokunststoff PolyLacticAcid (PLA)

Geschrieben von: Günther Wiedl

PolyLacticAcid (PLA) zählt, neben Polyhydroxybuttersäure (PHB), derzeit zu den bekanntesten und gängigsten abbaubaren Biokunststoffen. Chemisch gesehen ist PLA ein lineares Polymer, ein Polyester, verhält sich wegen der Methylgruppen hydrophob (wasserabweisend) und zählt zu den Thermoplasten. Aktuell erreicht PLA den größten Marktanteil und wird primär in Spritzguss-, Faser- und Folienbereichen eingesetzt. Häufig wird es auch als sekundäre Komponente in NFK (Naturfaserverstärkte Kunststoffe) verwendet und substituiert zum Teil Polypropylen (PP). Obwohl es zum Teil ähnliche mechanische Eigenschaften wie PP aufweist, stellt seine geringe thermische Beständigkeit (Zersetzung bei rund 50°C) den größten Nachteil dar.

Herstellung

Der Grundbaustein für PLA ist die häufig vorkommende Milchsäure (2-Hydroxypropionsäure). Diese kommt in den Formen L(+)- und D(-)- Milchsäure vor. Daneben wird Milchsäure in verschiedenen anderen Bereichen wie zum Beispiel der Lebensmittel-, Textil-, Leder- oder pharmazeutischen Industrie verwendet. Milchsäure selbst wird über fermentativen (70-90% des Weltproduktionsvolumens) Weg hergestellt. Der gesamte Prozess, also Fermentation der Milchsäure und anschließende Erzeugung des PLAs, ist mit hohem technischen Aufwand verbunden. Die Substratkosten beeinflussen maßgeblich die Herstellungskosten und die Ökobilanz.
Grundsätzlich sind viele Mikroorganismen dazu befähigt, Milchsäure herzustellen. Aufgrund verfahrenstechnischer und physiologischer Vorteile werden insbesondere grampositive, nicht-sporenbildende, fakultativ anaerobe homo- und heterofermentative Milchsäurebakterien eingesetzt. Als Substrat werden häufig z.B. kurzkettige Saccharide wie Glucose, Saccharose, Maltose, Laktose oder Stärke (die enzymatisch verzuckert wird) als Kohlenstoffquelle verwendet. Zusätzlich sind noch z.B. Stickstoffquellen (wie Hefe- oder Malzextrakt) nötig. Während der Fermentation selbst muss auf die anaerobe Bedingung und auf den pH-Wert geachtet werden.

Abb.1: Herstellungsprozess

Abb.1: Herstellungsverfahren

Anschließend erfolgt die Isolierung der Milchsäure über eine Neutralisationsreaktion und weiteren Filtrationsprozessen. Milchsäure liegt hier aufgrund ihrer Konfigurationsisomerie in einem Gemisch aus Meso-(Di)-Lactiden mit einem hohen L-Anteil vor. Im nächsten Schritt wird dann mittels einer temperatur- und druckunterstützten, katalysatorgesteuerten Ringöffnungspolymerisation das hochmolekulare PLA erzeugt.

Abb.2: Ringöffnungspolymerisation

Abb.2: Ringöffnungspolymerisation

Durch Compoundierung des PLAs und Zugabe diverser Additive und/oder Blendkomponenten wird der Polymerwerkstoff Polylactid (PLA) in der kommerziellen Granulatform hergestellt. Schlussendlich  wird durch eine Nachkristallisation die Feuchtigkeitsaufnahme bzw. Quellverhalten und somit die Geschwindigkeit des biologischen Abbaus optimiert.

Eigenschaften und Verwendung

Die Kosten für PLA konnte aufgrund von Optimierungen in den Prozessschritten auf rund 2,00 €/kg (2008) gesenkt werden, ausgehend vom Preis in den letzten 15 Jahren von rund 10€/kg. Im Vergleich dazu kostete Polypropylen rund 1,2 €/kg (2008). Ausschlaggebend ist vor allem die Wahl des Substrats. Heute werden von den meisten Produzenten größerer PLA-Mengen Mais als Ausgangssubstrat verwendet. Dies wird in naher Zukunft nicht für die Produktion von PLA sprechen, da bereits heute eine Spannung zwischen der Lebensmittel- und Energiebranche über die Verwertung von Mais entstanden ist. Deswegen rückt die Verwertung von Rest- und Abfallstoffen, darunter fallen z.B. Molke, Melasse oder lignocellulosehaltige Abfälle, immer mehr in den Vordergrund.
Eine sehr attraktive Alternative stellt die Nutzung von PLA-NF-Compounds dar (PLA-Naturfaser). Die oben erwähnten Nachteile des PLAs können aufgrund der Kombination mit z.B. Hanffasern hinsichtlich der Formbeständigkeit und Hitzeresistenz deutlich verbessert werden. Da der Preis für Naturfasern bei ca. 0,60€/kg (2008) steht, entspricht dem für PLA-NF-Compounds dem reinen PLA, wobei hier bessere Materialeigenschaften vorliegen.
Als Verpackungsmaterial ist PLA aufgrund der hohen Wasserdampfdurchlässigkeit  in vielen Fällen nicht geeignet. Dagegen kann man bei der Verpackung von Obst oder beispielsweise Brot auf die Perforierung der Folie verzichten.

Vorteile von PLA im Allgemeinen:

hohe Kratzfestigkeit, hohe Transparenz, sehr gute Bedruckbarkeit, gute Geruchsbarriereeigenschaften, relativ gute Sauerstoffbarriere, beständig gegen Fett, Wasser und Alkohol, zertifizierte Kompostierbarkeit, lebensmittelrechtlich zugelassen

Nachteile von PLA im Allgemeinen:

hohe Wasserdampfdurchlässigkeit, Verarbeitung technisch anspruchsvoll, ohne Additive spröde, geringe Schlagzähigkeit, geringe Wärmeformbeständigkeit und Preis. Darüberhinaus stellt das Anfallen großer Mengen an Nebenprodukten bei der Herstellung bzw. die Entsorgung von PLA zurzeit den größten Nachteil dar.

Quellenverzeichnis:
Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths (2009): Technische Biopolymere – Rahmenbedingungen, Marktsituation, Herstellung, Aufbau und Eigenschaften, Hanser Verlag
Fachagentur nachwachsende Rohstoffe e.V. (2008): Gülzower Fachgespräche Band26, FNR
Richard P.Wool, Xiuzhi Susan Sun (2005): Bio-Based Polymers and Composites, Academic Press Elsevier
Plasticker- The home of plastics (2012): http://plasticker.de/preise/preise_ecebd.php , aufgerufen am 11. Oktober 2012


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Datum: Sonntag, 14. Oktober 2012 13:16
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