Biobasierte Herstellung des biologisch abbaubaren Biokunststoffes Polyhydroxybutyrat (PHB)

Kunststoffe sind nützlich und aus dem Alltag nur schwer wegzudenken. Insbesondere Verpackungen oder Plastiktüten werden häufig nach einmaliger Nutzung weggeworfen und belasten bei sorgloser, aber auch bei geregelter Entsorgung die Umwelt. Weltweit betrachtet sammelt sich achtlos weggeworfener Plastikmüll in den Weltmeeren zu enormen schwimmenden Inseln zusammen, und das beim Degradieren des Mülls entstehende Mikroplastik reichert sich in der Nahrungskette an. Aber nicht nur die Entsorgung klassischer petrochemischer Kunststoffe, sondern auch die Herstellung, bei der wertvolle Ressourcen wie Erdöl benötigt werden, ist problematisch.

Bio-Kunststoffe bieten für viele Anwendungen eine nachhaltigere Alternative. Die biobasiert hergestellte und biologisch abbaubare Polybuttersäure (Polyhydroxybutyrat, kurz PHB) hat vergleichbare technische Eigenschaften wie die petrochemischen Kunststoffe PE und PP, jedoch behindern derzeit die höheren Herstellungskosten die Massenverwendung.
Im Forschungsvorhaben soll deshalb ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren für PHB entwickelt werden.

Stand der Technik

Das Biopolymer PHB wird von vielen Bakterienarten als Speicherstoff in Form von Granula in den Zellen eingelagert (Abb.1). Sind essentielle Nährstoffe wie Stickstoff oderPhosphor nicht ausreichend vorhanden, lagert das Bakterium bis zu 80 % des Zellgewichts als PHB ein – allerdings nur unter Versorgung mit einer Kohlenstoffquelle. Dieser Stoffwechselschalter wird im FedBatch-Verfahren ausgenutzt, um PHB zu gewinnen. Ein häufig für großtechnische Verfahren verwendetes Bakterium ist Cupriavidus necator.

Die Jahresproduktivität, die sich mitunter aus den möglichen Produktionszyklen ergibt, ist im gängigen FedBatch-Verfahren jedoch durch immer wieder anfallende Rüstzeiten (Reaktorreinigung, erneutes Befüllen, etc.) geschmälert. Ein weiterer wichtiger wirtschaftlicher Aspekt sind die Kosten für die eingesetzten Rohstoffe, so verursachen Reinsubstanzen (z.B. Glucose) höhere Herstellungskosten als industrielle Restströme (z.B. Melasse).

Projektaufbau

Im Rahmen des Projektes werden zwei Maßnahmen untersucht, um eine wirtschaftliche Produktion von PHB zu ermöglichen. Zum einen soll die Kohlenstoffversorgung der Bakterien durch Rohglycerin gewährleistet werden, das als kostengünstiger Reststoff in großen Mengen bei der Herstellung von Seifen oder Biodiesel entsteht. Im Weiteren soll die Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens eine deutlich höhere Jahresproduktion ermöglichen.

Projektziel

Das Projekt soll zeigen, dass eine kostengünstige, kontinuierliche PHB-Herstellung möglich ist. Somit wird nicht nur der Weg für nachfolgende Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet geebnet, sondern auch ein weiterer Schritt hin zu einer umweltfreundlicheren Massenproduktion von Kunststoffen gemacht.

Links

• Forschungsdatenblatt Bio-Polymere

Die Erfolgsstory der Carbon Nanotubes-Kunststoffe nimmt weiter Fahrt auf: Herausragende Promotion in Kooperation der TH Nürnberg und der TU Clausthal

Mit neuen Forschungserkenntnissen über das Verhalten von Carbon Nanotubes promovierte Alexander Dresel von der Fakultät Verfahrenstechnik der TH Nürnberg mit Auszeichnung ‚summa cum laude‘

Neue Anwendungsoptionen von Nanopartikeln im Automobil- und Flugzeugbau sowie in weiteren Produkten: Alexander Dresel, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Forschungsgruppe ‚Partikeltechnologie und Rohstoffinnovationen‘ der Fakultät Verfahrenstechnik der TH Nürnberg und der Fraunhofer Gesellschaft erforscht die Eigenschaften von Carbon Nanotube-Partikel in verschiedenen Materialien. Seine Promotion an der Technischen Universität Clausthal hat der Wissenschaftler mit Auszeichnung abgeschlossen.

Nürnberg, 26. Juli 2018. Alexander Dresel hat in seiner herausragenden Promotion in Kooperation der TH Nürnberg und der TU Clausthal das Verhalten von Kohlenstoffnanoröhren, sogenannten Carbon Nanotubes (CNT), erforscht.

In seiner Dissertation „Dispergierung und rheologische Eigenschaften von Carbon Nanotube-Suspensionen“ erforschte Alexander Dresel die Vereinzelung von Partikelverbünden im Nanometerbereich, das Benetzungsverhalten, die Charakterisierung dieser Nanometer-großen Partikel und deren Bewegungsverhalten in Flüssigkeiten.

Alexander Dresel hat in seiner Arbeit ein neues Verfahren zur Vereinzelung von Partikelgefügen entwickelt. Er konnte zeigen, dass das Strahldispergierverfahren eine effektive und schonende Methode zur Herstellung von Carbon Nanotube-Systemen ist. Bei diesem Verfahren liegen vereinzelte Nanotubes in flüssiger Umgebung vor. Alexander Dresel konnte zeigen, dass bestimmte Strömungsformen besonders gut geeignet sind. Alternativ werden Ultraschallverfahren oder Verfahren mit so genannten turbulenten Scherfeldern eingesetzt, in denen die Partikelverbünde durch Strömungswirbel aufgebrochen werden. Alexander Dresel ist es in seiner Dissertation gelungen, für die Strahldispergierung einen so genannten Dispergierparameter zu definieren, um so das Verfahren qualitativ und quantitativ bewerten zu können.

Carbon Nanotubes zeigen nur als Einzelpartikel im Werkstoff verteilt ihre besonderen mechanischen Eigenschaften sowie eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Die Vielzahl der verschiedenen Komposite-Produkte weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Vermischungseigenschaften oft unterschiedliche Produkteigenschaften auf. Für die Entwicklung solcher Produkte und deren verfahrenstechnische Herstellungsprozesse ist die Kenntnis über das Verhalten und die Materialeigenschaften dieser Carbon Nanotube-Partikeln entscheidend. Alexander Dresel hat zur Aufklärung dieser Zusammenhänge einen wesentlichen Beitrag geleistet.

Die Gestaltung von Produkten und die Veränderung ihrer Eigenschaftsfunktionen ist heute eine zentrale Aufgabe in der Feststoffverfahrenstechnik. Partikuläre Systeme entfalten ihre positiven Eigenschaften in Verbundwerkstoffen nur, wenn sie vereinzelt vorliegen und das ist bei Nanopartikelsystemen aufgrund der Agglomerationsneigung dieser Partikel sehr kompliziert und deshalb ohne den Einsatz neuer Prozesstechnik nicht möglich. Mit seiner Forschungsarbeit leistet Alexander Dresel einen Beitrag für die Marktfähigkeit und zukünftige Entwicklungen von neuen Materialverbünden mit neuen und verbesserten Eigenschaften.

Gutachter der Promotion

Erstgutachter der Promotion war Prof Dr. Alfred Weber, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik an der TU Clausthal, Zweigutachter war Prof. Dr.-Ing. Ulrich Teipel, Lehr und Forschungsgebiet Mechanische Verfahrenstechnik und Fluidmechanik der Fakultät Verfahrenstechnik an der TH Nürnberg, Drittgutachter war Prof. Dr.-Ing. Thomas Turek, Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik an der TU Clausthal und den Vorsitz hatte Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts, Vizepräsident für Forschung und Technologietransfer der TU Clausthal.

Dateien

• <link fileadmin user_upload _blank> PM_46_TH_Nürnberg_Promotion_Alexander_Dresel_Nanotubes.pdf

Kleinste Blockheizkraftwerke für Einfamilienhäuser

Prof. Dr.-Ing. Thomas Metz von der TH Nürnberg untersucht die Vorteile von Nano-BHKWs auf Basis thermoelektrischer Generatoren (TEG)

Kraft-Wärme-Kopplung im Kleinstmaßstab: Prof. Dr.-Ing. Thomas Metz von der Fakultät Verfahrenstechnik der TH Nürnberg untersucht zusammen mit einem wissenschaftlichen Mitarbeiter, welche Vorzüge Nano-Blockheizkraftwerke auf Basis thermoelektrischer Generatoren (TEG) für Einfamilienhäuser bieten. Die Wissenschaftler realisieren damit ein wichtiges Ziel des Wissenstransfers: Sie zeigen die Optionen für Unternehmen mit dem Einsatz dieser Technologie auf. Das Projekt wird von der Staedtler-Stiftung mit 40.000 Euro gefördert.

Nürnberg, 21. Dezember 2017. Eine wesentliche Säule der Energiewende ist die dezentrale Energie-Erzeugung: Eine Vielzahl kleiner Erzeugereinheiten lösen die konventionelle Stromerzeugung in wenigen großen Kraftwerken ab. Im Forschungsprojekt „Energy Harvesting im Wohngebäude – Vorentwicklung eines Nano-BHKWs“ untersucht Prof. Dr.-Ing. Thomas Metz von der TH Nürnberg zusammen mit einem wissenschaftlichen Mitarbeiter gezielt die Realisierbarkeit eines Blockheizkraftwerks mit ca. 300 Watt elektrischer Leistung (Nano-BHKW) für Einfamilienhäuser. Nach der Machbarkeitsstudie ist ein Entwicklungsprojekt mit einem Industriepartner vorgesehen. Gefördert wird das Forschungsprojekt mit 40.000 Euro von der Staedtler-Stiftung.

Prof. Dr.-Ing. Thomas Metz: „Während in Ballungsgebieten Abwärme bereits sehr gut zur Versorgung von Wohngebieten genutzt wird, sind Fernwärmenetze in ländlichen Regionen wegen der geringen Anschlussdichte unwirtschaftlich. Mit Nano-BHKWs können Besitzer von Einfamilienhäusern trotzdem vom Effizienzvorteil der Kraft-Wärme-Koppelung profitieren – doch noch sind diese nicht optimal auf die Anforderungen von Einfamilienhäusern zugeschnitten. Mit unserem Forschungsprojekt untersuchen wir deshalb die Vorteile von Nano-BHKW auf Basis thermoelektrischer Generatoren (TEG) im Vergleich zu den bisher am Markt verfügbaren BHKW-Systemen mit Gasmotor, Dampfmotor, Stirlingmotor oder Brennstoffzelle."

Thermoelektrische Generatoren nutzen den physikalischen Effekt eines Stromkreises, der durch zwei unterschiedliche Metalle aufgebaut wird. Weisen die Kontaktstellen unterschiedliche Temperaturen auf, entsteht ein Stromfluss. Der Umkehreffekt entsteht, wenn durch einen ausgeprägten Stromfluss unterschiedliche Temperaturen an den Kontaktstellen entstehen. Thermoelektrische Generatoren können somit auch für Kühlzwecke eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der thermoelektrischen Generatoren ist, dass sie keine beweglichen Teile enthalten. Damit sind sie wartungsfrei, geräuschlos und besitzen eine lange Lebensdauer.

Das Ziel der Wissenschaftler ist es, nicht nur kommerziell verfügbare thermoelektrische Generatoren zu untersuchen, sondern auch das Potential derzeit in Entwicklung befindlicher Materialien und Herstellungsmethoden. Dabei soll das Nano-BHKW neben Erdgas auch für weitere Brennstoffe wie Heizöl, Flüssiggas oder Holzbrennstoffe einsetzbar sein. Bei einem positiven Projektergebnis zielt Prof. Dr.-Ing. Thomas Metz darauf ab, das Thema mit entsprechenden Industriepartnern bis zur Marktreife weiterzuentwickeln.

Energy Harvesting (wörtlich: Energie ernten) definiert die Aufnahme elektrischer Energie aus der direkten Umgebung eines Geräts. Dabei werden zum Beispiel Temperaturunterschiede genutzt. Thermoelektrische Generatoren (TEG) funktionieren nach diesem Prinzip, sie gewinnen Strom aus Abwärme.

Dateien

• PM_80_TH_Nürnberg_Nano-BHKWs.pdf

Links

• Forschungsdatenblatt Nano-BHKW