Das Projekt "Teilprojekt C" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Biotechnologie, Fachgebiet Bioverfahrenstechnik durchgeführt. 1. Vorhabenziel: PHABIO APP verfolgt das Ziel eine geschlossene Prozesskette für die Produktion, die Verarbeitung, die Wiederverwertung und die Bioabbaubarkeit von neuartigen Polyhydroxyalkanoaten (PHA)- Biopolymeren aus biologischen Abfällen zu entwickeln. PHA-Polymere sind biologisch produzierte Polyester und können alternativ zu konventionell hergestelltem Plastik eingesetzt werden. Die TU Berlin entwickelt Verfahren zur Integration von Liquid-Handling Systemen in die Bioprozessentwicklung mit Abfallfetten als Substrat im Lochplatten- und Mikrobioreaktormaßstab zur Verkürzung der Prozessentwicklungszeiten. Zudem wird im Anschluss ein Scale up exemplarisch vom 10 mL in den 10 L Maßstab durchgeführt. 2. Arbeitsplanung: Es wird zunächst die Reproduzierbarkeit der Kultivierungen im Batch und Fed-batch Modus evaluiert. Dazu müssen Strategien entworfen werden, wie aus einer Kombination von thermischer, mechanischer und chemischer Vorbehandlung eine Pipettierung der Abfallfette ermöglicht und eine ausreichende Durchmischung erzielt wird. Es werden in diesem Rahmen klassische ingenieurtechnische Parameter wie u.a. der Leistungseintrag ermittelt. In einem zweiten Schritt wird experimentelles Design genutzt, um ein Stamm- und schließlich ein Parameterscreening durchzuführen. Auf Grundlage eines Prozessmodells erfolgt eine weitere Versuchsoptimierung. Schließlich wird ein Scale up unter Berücksichtigung ähnlichkeitstheoretischer Betrachtungen vorgenommen.
Das Projekt "Teilprojekt A" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik durchgeführt. PHABIO APP verfolgt das Ziel eine geschlossene Prozesskette für die Produktion, die Verarbeitung, die Wiederverwertung und die Bioabbaubarkeit von neuartigen Polyhydroxyalkanoaten (PHA)- Biopolymeren aus biologischen Abfällen zu entwickeln. PHA-Polymere sind biologisch produzierte Polyester und können alternativ zu konventionell hergestelltem Plastik eingesetzt werden. Das Fraunhofer IPK wird an der Verarbeitung der PHA-Polymere durch das Spritzgussverfahren arbeiten. Zusätzlich sollen die Eigenschaften der PHA Biopolymere sowie deren Wiederverwertung im Spritzgussverfahren analysiert werden. Es sollen Datenbanken zu den Prozessparametern und den Materialeigenschaften generiert werden, abhängig von der Zusammensetzung der PHA Biopolymere. Das Fraunhofer IPK arbeitet an der Entwicklung und Optimierung von Spritzgussparametern für die Verarbeitung der PHA-Biopolymere, die durch die Verbundpartner produziert werden. Der Einfluss von Reinheit und molarer Zusammensetzung der Polymere wird untersucht. PHA- Probenkörper werden für mechanische Untersuchungen nach DIN Standards geformt. Die spritzgegossenen PHA-Proben werden nach standardisierten Tests charakterisiert. Materialalterungseffekte werden untersucht. Abschließend wird ermittelt, wie oft das Material recycelt und spritzgegossen werden kann.
Das Projekt "Teilvorhaben 3: Scale-Up der Blendherstellung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von FKuR Kunststoff GmbH durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines biobasierten Hart-Weich-Verbundmaterials für den Mehrkomponentenspritzguss (2K-Spritzguss). Celluloseacetat (CA), Polyhydroxyalkanoate (PHA) und Blends aus Polybutylensuccinat und Polymilchsäure (PBS/PLA) sollen als biobasierte Hartphase untersucht werden. Als Weichphase werden biobasierte thermoplastische Elastomere (Bio-TPE) favorisiert, zum Beispiel auf Basis von Thermoplastischem Polyurethan (TPE-U) oder Styrolblockcopolymeren (TPE-S). Der Anwendungsfokus des Materials liegt in den Bereichen Büroartikel, Hygieneartikel, Griffe, Sportartikel und Gehäuse. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie die Integration verschiedener Funktionen in einem Material erlangen vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung immer höhere Bedeutung für diese Produkte. Das Forschungsvorhaben kann hierfür richtungsweisende Materiallösungen erarbeiten und die Marktdurchdringung der Biokunststoffe in technische Produktbereiche fördern. Bei Fraunhofer UMSICHT werden kompatibilisierte Blends der genannten Biopolymere und Bio-TPE entwickelt, die als Hartphase im Verbund fungieren und bei denen der Härtegrad und die Haftwirkung im Hart-Weich-Verbund variiert werden. Fragen zur Kompatibilisierung und Haftvermittlung werden wissenschaftlich analysiert und werkstoffliche Lösungsansätze erarbeitet. Die assoziierten Materialhersteller werden eng eingebunden. Die Universität Kassel entwickelt die Verfahrenstechnik des 2K-Spritzgusses, um biobasierte Hart-Weich-Verbunde herstellen zu können. Diese Untersuchungen zur Prozessführung für das Erzielen einer hohen Haftwirkung sind unerlässlich. Es wird eng mit den assoziierten Spritzgussunternehmen zusammengearbeitet und Fragen zum Recycling und zur Migrationsstabilität werden betrachtet. Die erzielten FuE-Ergebnisse werden dann an den Industriemaßstab angepasst. Die FKuR Kunststoff GmbH realisiert das Scale-Up der kompatibilisierten Biokunststoffblends. Die assoziierenden Spritzgussunternehmen stellen anschließend Referenzmuster her, um die industrielle Anwendungsfähigkeit zu zeigen.
Das Projekt "Teilprojekt B" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von ANiMOX GmbH durchgeführt. PHABIO APP verfolgt das Ziel, eine geschlossene Prozesskette für die Produktion, die Verarbeitung, die Wiederverwendung und die Bioabbaubarkeit von neuartigen Polyhydroxyalkanoat-(PHA)-Bio-polymeren aus Abfallfetten von Industrie und Lebensmittelverarbeitung zu entwickeln. PHA-Biopolymere sind biologisch produzierte Polyester, die Alternativen zu konventionell hergestellter Plastik werden können. ANiMOX zeichnet in dem Projekt für die Identifizierung der Aufkommensquellen von minderwertigen Fetten, für deren Aufbereitung als Fermentationsrohstoffe sowie die Entwicklung effektiver Extraktions- und Reinigungsverfahren für das Rohmaterial verantwortlich. Für diesen Aufbereitungsprozess werden verschiedene Vor- und Nachreinigungsverfahren untersucht und innovative Kombinationen davon für den speziellen Anwendungsfall neu entwickelt. Mit den neuen Technologien aufgereinigte Produktmuster aus Altfettfraktionen werden den Projektpartnern für die Kultivierung der Mikroorganismen und für die PHA-Musterproduktion zur Verfügung gestellt. In einem iterativen Prozess wird die Technologie zur Gewinnung und Aufreinigung der für die Fermentation am besten geeigneten Fettfraktionen vor allem unter dem Aspekt Produktausbeute und Produktionskosten optimiert. ANiMOX wird durch eigene Marktrecherche wirtschaftlich relevante Altfettquellen erfassen, hinsichtlich ihrer quantitativen und qualitativen Eignung für den Fermentationsprozess bewerten und bezüglich ihrer Marktrelevanz (Aufkommen, Qualitäten, Preise) einordnen.
Das Projekt "Teilvorhaben: LCS Life Cycle Simulation GmbH" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von LCS - Life Cycle Simulation GmbH durchgeführt. Im Bereich der Kosmetik besteht eine große Nachfrage nach umweltverträglichen Verpackungen Die größte Herausforderung besteht hierbei darin, diese in einem effizienten und ökonomischen Prozess herzustellen. Dieses Projekt zielt auf die Produktion biobasierter Verpackungsmaterialien für die Kosmetikindustrie ab: Im Fokus steht die Nutzung nachhaltiger C-Quellen oder Abfallströmen zur Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten mit geeigneten Stämmen. In Verbindung mit einer umweltfreundlichen Hochdrucktechnik zur Aufreinigung soll dies in einem nachhaltigen Verfahrenskonzept münden. Die Biokunststoffe sollten zumindest äquivalente Eigenschaften zu bereits kommerziell genutzten Materialien aufweisen. Die anwendungsspezifischen und chemisch-physikalischen Untersuchungen dienen damit der Evaluierung der Wettbewerbsfähigkeit. Die Nachhaltigkeit der Herstellung und Verwendung dieses PHAs wird mit einer Lebenszyklusanalyse abgeschätzt.
Das Projekt "Teilvorhaben 4.2: Aufbereitung und werkstofflicher Wiedereinsatz von Produktionsabfällen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Bösel Plastic Management GmbH durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Etablierung und Optimierung eines qualitativ hochwertigen mechanischen Recyclings für das derzeit mengenmäßig wichtigste Biopolymer Polylactid. dieses Forschungsvorhaben befasst sich explizit mit den Industrieabfällen, die bei der Produktion von Danone-Joghurtbechern in einem nicht unerheblichen Maße anfallen. Die PLA-Stanzabfälle, die mit Klebstoffen und bedrucktem Papier versehen sind sollen in die gesamte Prozesskette, d.h. das mechanische Recycling, die Charakterisierung und Optimierung der Rezyklate sowie die Entwicklung neuer Produkte auf Basis der recycelter Biokunststoffe in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern in verschieden Bereichen entlang der gesamten Wertschöpfungskette erfolgen. Übergeordnetes Ziel ist es, diese mit PLA erzielten Ergebnisse auch auf andere Biokunststoffe, wie z.B. Polyhydroxyalkanoat, Polyester- oder Stärkeblends und Bio-PA zu übertragen. Voraussetzung dafür wird die mengenmäßige Verfügbarkeit und das Einsatzgebiet sein. Das Projekt umfasst 21 Arbeitspakete und ist in drei Projektphasen unterteilt. Die erste Phase befasst sich mit der Forschung und Entwicklung, die zweite Phase befasst sich mit der Optimierung und der Materialentwicklung und in der dritten Phase werden gemeinsam mit den Industriepartnern Produkte entwickelt.
Das Projekt "Teilvorhaben 4: Aufbereitung und werkstofflicher Wiedereinsatz von biobasierten Kunststoffen aus Produktionsabfällen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Hannover, IfBB - Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe, Abteilung Bioverfahrenstechnik durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Etablierung und Optimierung eines qualitativ hochwertigen mechanischen Recyclings für das derzeit mengenmäßig wichtigste Biopolymer Polylactid. Dieses Forschungsvorhaben befasst sich explizit mit den Industrieabfällen, die bei der Produktion von Danone-Joghurtbechern in einem nicht unerheblichen Maße anfallen. Die PLA-Stanzabfälle, die mit Klebstoffen und bedrucktem Papier versehen sind sollen in die gesamte Prozesskette, d.h. das mechanische Recycling, die Charakterisierung und Optimierung der Rezyklate sowie die Entwicklung neuer Produkte auf Basis der recycelter Biokunststoffe in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern in verschieden Bereichen entlang der gesamten Wertschöpfungskette erfolgen. Übergeordnetes Ziel ist es, diese mit PLA erzielten Ergebnisse auch auf andere Biokunststoffe, wie z.B. Polyhydroxyalkanoat, Polyester- oder Stärkeblends und Bio-PA zu übertragen. Voraussetzung dafür wird die mengenmäßige Verfügbarkeit und das Einsatzgebiet sein. Das Projekt umfasst 21 Arbeitspakete und ist in drei Projektphasen unterteilt. Die erste Phase befasst sich mit der Forschung und Entwicklung, die zweite Phase befasst sich mit der Optimierung und der Materialentwicklung und in der dritten Phase werden gemeinsam mit den Industriepartnern Produkte entwickelt.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Materialentwicklung sowie Material- und Verfahrensoptimierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines biobasierten Hart-Weich-Verbunds für den Mehrkomponentenspritzguss (2K-Spritzguss). Celluloseacetat (CA), Polyhydroxyalkanoate (PHAs) und Polymilchsäure (PLA) sollen als Blends die biobasierte Hartkomponente bilden. Als Weichphase werden biobasierte thermoplastische Elastomere (Bio-TPEs) favorisiert. Der Anwendungsfokus des Materials liegt auf Büroartikel, Hygieneartikel, Griffe, Sportartikel und Gehäuse. Die Nutzung nachwachsender Rohstoffe sowie die Integration verschiedener Funktionen in einem Material erlangen vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung immer höhere Bedeutung für diese Produkte. Das Forschungsvorhaben kann hierfür richtungsweisende Materiallösungen erarbeiten und die Marktdurchdringung der Biokunststoffe in technische Produktbereiche fördern. Fraunhofer UMSICHT entwickelt zunächst Blends aus CA, PHA bzw. PLA und Bio-TPE. Diese Bio-Blends bilden die Hartkomponente des Verbunds und sollen die Haftung zwischen beiden Materialien im angestrebten Hart-Weich-Verbund verbessern. Ferner dient das Blenden zur Variation des Härtegrads. Fragen zur Kompatibilisierung und Haftvermittlung werden wissenschaftlich analysiert und werkstoffliche Lösungen erarbeitet. Die assoziierten Materialhersteller werden eng eingebunden. Die Universität Kassel entwickelt die Verfahrenstechnik des 2K-Spritzgusses, um biobasierte Hart-Weich-Verbunde aus den Bio-Blends und Bio-TPE herstellen zu können. Diese Arbeiten sind für das Erzielen einer hohen Haftung unerlässlich. Es wird eng mit den assoziierten Spritzgussunternehmen zusammengearbeitet. Auch werden Fragen zum Recycling und zur Migrationsstabilität betrachtet. Die erzielten FuE-Ergebnisse werden dann an den Industriemaßstab angepasst. Die FKuR Kunststoff GmbH realisiert das Scale-Up der kompatibilisierten Biokunststoffblends. Die assoziierenden Spritzgussunternehmen stellen anschließend Referenzmuster her, um die industrielle Anwendungsfähigkeit zu zeigen.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Reduktion von Fettestern und Polyestern zu Fettethern und Polyethern sowie Untersuchung der Eigenschaften und der Reaktionsmechanismen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Chemie durchgeführt. In dem hier vorgeschlagenen Vorhaben sollen auf dem Gebiet der Nutzung von Fetten und Ölen aber auch von Milchsäure als nachwachsenden Rohstoffen für die Chemie nach neuen Wegen zur Synthese von monomeren und polymeren Fettethern geforscht werden. Fettether haben im Vergleich zu den in der Natur vorliegenden Fettestern, wie z.B. den Triglyceriden, einige bemerkenswerte vorteilhafte Eigenschaften. Deshalb sollen monomere Dien-Fettether synthetisiert und diese zu Polyethern polymerisiert werden. Weiterhin sollen Polyester und auch insbesondere Polymilchsäureester, partiell sowie vollständig zu den entsprechenden Polyethern reduziert werden. Die Materialeigenschaften der neuen Polymere soll untersucht werden. Schließlich soll der Mechanismus der Reduktion von Estern zu Ethern aufgeklärt werden. Die Oldenburger Gruppe wird durch Reduktion der entsprechenden Fettester die monomeren Ether synthetisieren, die von der Karlsruher Gruppe, gegebenenfalls modifiziert, polymerisiert werden. Die Karlsruher Gruppe wird auch fettbasierte Polyester synthetisieren, die von der Oldenburger Gruppe partiell oder vollständig zu Ether-Ester-Copolymeren sowie Polyethern reduziert werden. Weiterhin wird die Karlsruher Gruppe wohlcharakterisierte Polymilchsäure mit definierten Molekulargewichten bereitstellen, die von der Oldenburger Gruppe partiell zu Ether-Ester-Copolymeren oder vollständig zu erneuerbaren Polypropylenglykolen reduziert werden. Weiterhin wird diese kommerziell verfügbare Polyhydroxyalkanoate partiell und vollständig zu Ether-Ester-Copolymeren sowie Polyethern reduzieren (Oldenburg). Die Karlsruher Gruppe wird die Polymeren charakterisieren und die Materialeigenschaften der interessantesten Polymere eingehend untersuchen. (Zeitlicher Ablauf: siehe Balkenplan)
Das Projekt "BIOPIT - Werkstofftechnik und Verarbeitung von Biopolymeren in Thüringen - In-Line Compoundierung & Spritzgießen von Biopolymeren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Ilmenau, Fachgebiet Kunststofftechnik durchgeführt. Im Teilprojekts TP3: Verarbeitungstechnologie: In-Line-Compoundierung & Spritzgießen von Biopolymeren war vorgesehen, Biokunststoffe so schonend zu verarbeiten, dass die Eigenschaften durch den Verarbeitungsprozess nicht negativ beeinflusst werden, sondern ein höchstmögliches Maß der positiven Eigenschaftspotenziale von Biopolymeren erhalten bleibt, bzw. im Verarbeitungsprozess gesteuert werden kann. Die schonende Verarbeitung zielt auf eine möglichst geringe thermische und Scherbeanspruchung des Materials im Verarbeitungsprozess ab. Damit ergibt sich für Formteile ein minimales Schwindungsverhalten mit maximalen mechanischen und thermischen Eigenschaften. Es wurden gezielt Biokunststoffe der Klassen Polyhydroxyalkanoate (PLA), Celluloseacetate (CA) und Polyhydroxbutyrate (PHBV) aufgrund ihres technischen Eigenschaftspotenzials ausgewählt. Besonderer Fokus lag auf der Anwendung im Automobilbereich (Heizungs-/ Klimakasten), dessen Anforderungsprofil von den Biokunststoffen erfüllt werden sollte. Die ausgewählten Biokunststoffe wurden zum einen im konventionellen Verfahren, dem Spritzgießen verarbeitet, wobei zur Ermittlung der degradationsfördernden Verarbeitungsbedingungen die Prozessparameter Massetemperatur, Schneckenumfangsgeschwindigkeit, Einspritzgeschwindigkeit und Nachdruckhöhe variierend untersucht wurden. Da die Massetemperatur zusätzlich von der Verweildauer der Schmelze im System abhängig ist, wurde ebenfalls der Faktor Verweilzeit variert. Diese Abhängigkeiten spiegeln sich auch in der Art der ausgewählten Maschinengröße wieder, so dass dieser Einfluss durch Versuche auf einer Spritzgießmaschine (SGM) mit 60to Schließkraft und einer SGM von 650to Schließkraft untersucht wurde. Da die zielführende Verarbeitungstechnologie das In-Line Compounding ist, wurde dieses Maschinenkonzept auf Basis bekannter und bestehender Maschinenkomponenten im Rahmen des Projektes für kleinere Maschinen neu konzipiert und umgesetzt. Es wurde eine kleine Spritzgießmaschine mit einem patentierten FIFO-Speichermodul ausgerüstet und an einen Doppelschneckenextruder gekoppelt. Die so erzeugten Formteile wurden anschließend auf ihre erreichbaren thermischen und mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Verarbeitungsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse aus den Versuchsreihen zeigen, dass mit heute verfügbaren Biokunststoffen Materialeigenschaften von konventionellen Kunststoffen erreichbar sind, insofern die Prozessbedingungen auf den jeweiligen Biokunststoff angepasst werden. Für amorphe Biokunststoffe sollten die Prozessparameter Einspritzgeschwindigkeit und Nachdruck gering eingestellt werden, um maximal Eigenschaften zu erzeugen. Bei teilkristallinen Biokunststoffen sollten für eine optimale Eigenschaftserreichung die thermischen Belastungen Verweilzeit und Massetemperatur gering gehalten, da diese einen signifikanten Einfluss auf die Molekülstruktur und die Kristallinität des Formteils ausüben.
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