Mit einer neuen High-Tech-Maschine wollen HSBI-Forschende „grüne“ Kunststoffe entwickeln

Wer Kunststoffe umweltfreundlicher herstellen und ihre Recyclingfähigkeit
verbessern will, muss neue Zutaten ausprobieren und die Bestandteile des
„Plastiks“ immer wieder trennen und neu mischen. Hierbei hilft an der
Hochschule Bielefeld neuerdings ein 800.000 Euro teurer
Doppelschneckenextruder. Mit ihm wollen die Forschenden unter anderem
Farbstoffe auf Algenbasis ausprobieren und hartnäckige
Kunststoffverbindungen aufdröseln, um die Grundstoffe wiederverwerten zu
können.

Bielefeld (hsbi). Wenn Johannes Brikmann nicht in der Experimentierhalle
der HSBI stehen würde, könnte man auf die Idee kommen, er arbeite in der
Großküche der benachbarten Cafeteria: „Wir können mit der Anlage
zerkleinern, zerteilen, mischen und portionieren“, berichtet der
37-jährige Ingenieur über seinen Arbeitsplatz. Auch wenn es dabei oft um
Rezepturen oder Zutaten geht, beschäftigen sich Brikmann und die AG
Bielefelder Kunststofftechnik nicht mit der Zubereitung von Speisen,
sondern mit den Kunststoffen der Zukunft. Ihr Arbeitsplatz befindet sich
in der großen Experimentierhalle im Untergeschoss des HSBI-Hauptgebäudes
und hört auf den etwas putzigen Namen Doppelschneckenextruder.

Ziel der aufwändigen Anlage ist die realistische Nachbildung industrieller
Prozesse

Rund fünf Meter lang und drei Meter in der Breite messen die verschiedenen
Komponenten des Extruders, mit dem das Team um Johannes Brikmann und sein
Laborleiter, Professor Dr. Bruno Hüsgen, Prozesse der Kunststoffproduktion
realistisch nachbilden kann. „Mit dem Extruder können wir sowohl neue
Materialien entwickeln als auch vorhandene gezielt verändern, indem wir
beispielsweise neue Stoffe zumischen oder andere abbauen“, erklärt Hüsgen
die Haupteinsatzgebiete der fachsprachlich auch Compounder genannten
Anlage. Er steht vor einem der Träger der Plattform in der Halle und
deutet auf mehrere niedrige Rollwagen, auf denen Pumpen und Trichter
montiert sind. Von hier führen Schläuche in ein kastenförmiges,
langgestrecktes Gehäuse, an dessen Ende ein stattlicher Elektromotor
montiert ist. Unter dieser Hülle findet sich das namensgebende Element der
Anlage: zwei – „Schnecken“ genannte – spiralförmige Drehstäbe, die in
einem mit Heizbändern ummantelten Zylinder rotieren.

Vom Granulat zum Extrudat: das Extrusionsverfahren

In diesen Zylinder wird zu Beginn des Extrusionsverfahrens über einen
Trichter oberhalb der Anlage Kunststoffgranulat eingefüllt, das die
Grundlage jedes Kunststoffprodukts bildet. Durch die Rotation der
Schnecken werden die Granulatkörnchen entlang des Zylinders zu einer Düse
am Ende der Anlage transportiert. Dabei entsteht Reibung. Gleichzeitig
werden Heizbänder zugeschaltet, und so wirken bis zu 450̊ C Hitze auf das
eingefüllte Material. Unter dem Einfluss der beiden Faktoren können die
Granulate in alle denkbaren Aggregatzustände versetzt werden. Häufig
werden sie aufgeschmolzen. Andere Ausgangsstoffe behalten ihre Konsistenz,
werden neu gemischt oder durch Zusätze mit individuellen Eigenschaften
ausgestattet. Am Ende des Vorgangs wird die nun „Extrudat“ genannte Masse
wie beim Formen von Spritzgebäck durch eine Düse gedrückt werden und
erhält so ihre endgültige Form.

Zusatzstoffe geben dem Kunststoff Form und Farbe

Doch zuvor kommen die Rollwagen mit ihren Pumpbehältern ins Spiel: Mit
ihrer Hilfe können dem Kunststoff während des Vorgangs bestimmte Zusätze
beigemischt werden. Durch diese „Additive“ erhält der Kunststoff
individuelle Eigenschaften. Sie garantieren bspw., dass das Endprodukt
sich auch unter Beanspruchung nicht verformt, seine Farbe verliert oder
feuerfest ist. „Das Besondere bei diesem Compounder ist, dass wir nicht
nur alle industriell verwendeten Additive zumischen können, sondern auch
neue Additive auf Pflanzenbasis ausprobieren können, die eine schonende
Temperaturführung benötigen“, weist Bruno Hüsgen auf ein weiteres
Charakteristikum des Extruders hin – er kann für die Entwicklung
nachhaltiger Kunststoffe eingesetzt werden.

Biopolymere und Recycling – wie können Kunststoffe nachhaltig werden?

Ein aktuelles Beispiel für die Forschung der Arbeitsgruppe an nachhaltigen
Kunststoffen ist ein neues Blend aus den beiden natürlich vorkommenden
Rohstoffen Polylactid (Kurz PLA) und Polyhydroxybuttersäure (PHB). Ihren
Einsatz könnte die Verbindung aus Sicht Brikmanns zukünftig in
nachhaltigen Verpackungen finden, die sich unter den richtigen Bedingungen
vollständig biologisch abbauen ließen. Bei der Entwicklung des neuen
Materialmix machte sich das Team ausgerechnet die Schwachpunkte der beiden
Polymere zu eigen: „PHB ist sehr spröde, während PLA nur eine niedrigere
Temperaturbeständigkeit aufweist. Durch die Mischung heben sich die
Nachteile beider Sorten auf. In kombinierter Form werden die Nachteile zu
positiven Eigenschaften eines neuen Rohstoffs, der ohne den Einsatz von
Erdöl auskommt“, illustriert Brikmann, der gerade an seiner Promotion
sitzt, den Entwicklungsprozess. Auch in technischen Bauteilen mit kurzer
Halbwertzeit oder als Verpackung von Medizinprodukten mit meist kurzer
Lebensdauer könnte der gleichermaßen zähe wie hitzebeständige Polymer
Anwendung finden.

Versuche zum Recycling bisher kaum recycelbarer Kunststoffe

Ein weiterer Ansatz des Teams um Hüsgen und Brikmann ist die Verlängerung
von Kunststoff-Lebenszyklen durch Recycling. Dafür haben sie sich mit der
Gruppe der Elastomere einen bisher eher „schwierigen Kandidaten“
ausgesucht. Dieser Grundstoff für Reifen, Dichtungen und Gummibänder hat
durch lange Molekülketten den Vorteil, äußerst dehnbar und elastisch zu
sein. Kommt ein mit Elastomeren hergestelltes Kunststoffprodukt an sein
Lebensende wird aber genau die vernetzte, lange Molekülstruktur zum
Problem. Denn die Ketten eines Elastomers lassen sich nicht durch den
üblichen Recyclingvorgang aus Zerkleinern, Aufschmelzen und Aushärten
wiederherstellen. Genau deshalb bleibt für Elastomerprodukte am Ende ihrer
Nutzung bisher vor allem das Downcycling: Aus einem abgefahrenen
Autoreifen wird so beispielsweise bestenfalls noch ein Bodenbelag oder die
Füllung für Kunstrasenplätze. Meistens werden solche Abfallprodukte jedoch
nur thermisch verwertet, sprich: Sie wandern in die Müllverbrennungsanlage
oder als Brennstoff in ein Zementwerk. Für Bruno Hüsgen und sein Team ein
nicht hinnehmbarer Zustand: „Wir wollen die auf das Material im Compounder
einwirkenden Scherkräfte nutzen, um die Schwefelbindungen im Elastomer zu
trennen,“ erläutert Hüsgen die derzeit laufenden Versuche. „Wenn uns das
gelingt, wäre ein werkstoffliches Recycling möglich und damit eine erneute
Nutzung des Materials.“

Für echte Nachhaltigkeit müssen alle Komponenten betrachtet werden

Um wirklich nachhaltig zu wirken, muss ein solcher Kreislauf aber nicht
nur den Hauptwerkstoff in den Blick nehmen. Auch alle anderen Komponenten
eines Endprodukts müssen dann ohne den Einsatz neuen Kunststoffs auf
Erdölbasis auskommen. Dazu zählt bspw. auch das Einfärben der entstehenden
Kunststoffe. Denn auch Farben und Lacke basieren vielfach auf
Erdölprodukten. Das ist der Einsatz für Tessa Strümpfler und Dr. Thomas
Zimmermann. Die beiden gehören zum Team der AG von Prof. Dr. Anant Patel,
Verfahrenstechniker und HSBI-Vizepräsident für Forschung und Entwicklung,
und beschäftigen sich eigentlich mit der Erforschung neuer
Pflanzenschutzmittel. Häufig dreht sich ihre Arbeit um die
unterschiedlichen Eigenschaften von Algen. Heute interessieren sie sich
aber vor allem für die Technik des Doppelschneckenextruders, weil er der
Gruppe bei ihren aktuellen Forschungsvorhaben ebenfalls gute Dienste
erweisen könnte. In ihrer Forschung an Blaualgen entwickelte die AG ein
Verfahren, mit dem sie aus Algen einen natürlichen und leicht abbaubaren
Farbstoff gewinnen kann. Weil dieser der fehlende Baustein für das
Schließen eines nachhaltigen Kunststoffkreislaufs sein könnte, hat sich
zwischen den beiden Arbeitsgruppen eine innovative Zusammenarbeit
entwickelt: Die AG Patel stellt ihr Wissen rund um pflanzliche Farbstoffe
bereit, während die AG Hüsgen ihr Know-how über die Verfahrenstechnik des
Extruders für die Versuche der Biotechnologiegruppe einbringt.

Die Arbeit mit dem Extruder fördert ungeahnte Synergien

„Nur den Kunststoff zu ersetzen und weiterhin Farben aus der Petrochemie
zu nutzen, ist keine vollständig grüne Lösung. Dafür braucht es auch auf
Seite der Zusätze biobasierte Innovationen“, erklärt Thomas Zimmermann wie
der Stein für die Zusammenarbeit der beiden Forschungsgruppen ins Rollen
kam. „Umgekehrt ermöglicht der Extruder unserer AG, bisher getrennte
Verfahren bei der Formulierung unserer Wirkstoffe in einem einzigen
Prozess zusammenzuführen“, beschreibt Tessa Strümpfler ihr Ziel der
Kooperation. Mit der „Formulierung“ meint die Biotechnologin die Form, in
der ein Wirkstoff an seinen Einsatzort kommt. In ihrem Forschungsfeld
arbeiten Strümpfler und Zimmermann aktuell oft mit Kapseln, die in einem
zweistufigen Verfahren zuerst formuliert und anschließend beschichtet
werden. Dies ist oft kostenintensiv. Aufgrund seiner höheren Produktivität
und Skalierbarkeit könnte der Extruder schon die Formulierung erheblich
günstiger machen. Im besten Fall könnte die abschließende Beschichtung
zukünftig überflüssig werden.

Bisher getrennte Schritte könnten durch den Extruder kombiniert werden

„Wir arbeiten zwar mit unterschiedlichen Zutaten und Anforderungen, aber
wir brauchen beide einen ziemlich teuren Herd, um unsere Produkte in einen
industriellen Prozess zu überführen“, findet Johannes Brikmann zum
Abschluss selbst eine Küchenmetapher für die Kooperation der beiden
Forschungsgruppen. Zukünftig soll die Arbeit mit dem Extruder auch für
weitere Fragen beider AGs oder für thematisch ähnliche Projekte wie
InCamS@BI neue Lösungen eröffnen. Als die Gruppe die Experimentierhalle
verlässt, dreht sich Brikmann wie zum Abschied noch einmal zum Extruder
um: „Am Ende braucht es einen kreativen Koch, der mit der richtigen
Technik und einem guten Rezept ein Produkt schafft, das überzeugt“, verrät
er augenzwinkernd. Ganz wie nebenan in der Cafeteriaküche also.