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Biokunststoffe und Biopolymere

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Lerntext zum Thema Biokunststoffe und Biopolymere

Biopolymere und Biokunststoffe – Makromoleküle von großer Bedeutung

Makromoleküle, also große Moleküle mit hoher Molekülmasse, spielen sowohl in lebendigen Organismen als auch in der technischen Anwendung eine wichtige Rolle. Was genau diese Stoffe so besonders macht und wie natürliche Substanzen als Vorlage für synthetisch erzeugte Stoffe dienen können, darum geht es in diesem Text.

Biopolymere und Biokunststoffe – Definition

Das Wort Polymer bezeichnet generell große Moleküle, die aus einzelnen, in der Regel sich wiederholenden, Bausteinen, den Monomeren, zusammengesetzt sind. Beispielsweise gehören Kunststoffe chemisch betrachtet zu den Polymeren.

Biopolymere sind von Organismen produzierte Polymere. In Abgrenzung dazu beschreibt der Begriff Biokunststoffe technisch hergestellte Kunststoffe, die von Biopolymeren abgeleitet sind.

Was sind Biopolymere?

Biopolymere spielen im Stoffwechsel und Aufbau von Menschen, Tieren und Pflanzen eine entscheidende Rolle. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Biopolymere:

Biopolymer Aufbau Funktion und Beispiele
Polysaccharide (Vielfachzucker) Sie bestehen aus Monosacchariden. Beispielsweise wird das Polysaccharid Stärke durch Verknüpfung von vielen Tausenden Glucosemolekülen gebildet. Energiespeicher und Energiestoffwechsel (Stärke, Glykogen), Zellwand bei Pflanzen (Cellulose), Exoskelett bei Insekten (Chitin)
Proteine Aminosäuren werden als Monomere über Peptidbindungen zu Proteinen verknüpft. strukturgebende Substanzen in Pflanzen und Tieren: Keratin (Haare und Nägel), Kollagen (Bindegewebe), Elastin (Haut, Lunge, Blutgefäße)
Polynucleotide Viele Nucleotide, die wiederum Einheiten aus Zucker, Phosphat und Stickstoffbasen sind, werden zu Polynucleotiden verbunden. Träger der Erbinformation: DNA und RNA

Biopolymere bilden komplexe räumliche Strukturen und Netzwerke. Dazu zählen nicht nur biologisch wichtige Substanzen, sondern auch wirtschaftlich bedeutende Stoffe, beispielsweise Kautschuk, Lignin und Seide.

Was sind Biokunststoffe?

Biokunststoffe sind von Menschen produzierte Substanzen, die auf Biopolymeren beruhen oder von diesen abgeleitet sind und eine oder mehrere der folgenden Kriterien erfüllen:

  • Aus nachwachsenden Rohstoffen produziert
  • Biologisch abbaubar
  • Verträglich mit menschlichen oder tierischen Organismen

Im Folgenden werden die wichtigsten Biokunststoffe vorgestellt.

Polyhydroxybuttersäure (PHB)

Polyhydroxybuttersäure ist ein Biopolymer, das zur Stoffklasse der Polyester gezählt wird. Die Synthese erfolgt enzymatisch durch Bakterien. Da Polyhydroxybuttersäure biologisch abbaubar ist, soll es langfristig Kunststoffe auf Erdölbasis ersetzen. Durch Beimengung verschiedener anderer Stoffe findet Polyhydroxybuttersäure ein weites Anwendungsspektrum, z. B. als Kleber oder Gummi.

Polyhydroxybuttersäure

Celluloseacetat (CA)

Celluloseacetat ist ein thermoplastischer Kunststoff, der aus Cellulose gewonnen wird. Dieses Biopolymer ist in vielen Materialien des Alltags zu finden. So wird Celluloseacetat bei der Herstellung von Displays von Computern und Handys verbaut, ist Bestandteil von Brillenfassungen und findet Anwendung als Textilfaser.

Celluloseacetat

Polymilchsäure (PLA)

Polymilchsäure ist ein biologisch abbaubarer Kunststoff, der ähnliche Eigenschaften wie PET aufweist. Somit spielt dieses Biopolymer eine wichtige Rolle in der Verpackungsindustrie und kann zur Produktion von Folien, Dosen, Bechern und Flaschen eingesetzt werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet von Polymilchsäure ist die Medizin. Aufgrund seiner biologischen Abbaubarkeit kann dieser Kunststoff als Nagel oder Platten bei der operativen Behandlung von Knochenbrüchen eingesetzt werden. Diese Teile werden vom Körper aufgenommen und abgebaut, was eine zweite Operation überflüssig macht.

Polymilchsäure

Stärke

Die meisten Biokunststoffe auf Basis von Stärke bestehen aus zwei Phasen: zum einen die reine Stärke und dann noch ein weiterer biologisch abbaubarer Kunststoff, wie Polyester, Polyesteramide, Polyesterurethane oder Polyvinylalkohol. Diese zwei Phasen von Kunststoffen werden als Stärkeblends bezeichnet und dienen als Ausgangsstoff zur Produktion von Verpackungsmaterialien, Einweggeschirr und -besteck, Medikamenten und vielen weiteren Produkten des täglichen Bedarfs.

Stärke

Biopolymere und Biokunststoffe – Zusammenfassung

  • Biopolymere und Biokunststoffe spielen eine wichtige Rolle für lebende Organismen und in der Industrie.
  • Biokunststoffe leiten sich von Biopolymeren ab.
  • Biokunststoffe sollen in der Industrie die erdölbasierten Kunststoffe ersetzen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Biopolymere und Biokunststoffe

Was sind Biopolymere?
Was sind Biokunststoffe?
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Biokunststoffe und Biopolymere Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Lerntext Biokunststoffe und Biopolymere kannst du es wiederholen und üben.
  • Unterscheide zwischen Biokunststoffen und herkömmlichen Kunststoffen.

    Tipps

    Viele schon seit Jahren häufig verwendetete populäre Kunststoffe sind herkömmliche Kunststoffe.

    Lösung

    Biokunststoffe

    • Polymilchsäure
    • Zelluloid
    • Polyhydroxybuttersäure
    • Polyvinylalkohol
    Diese Kunststoffe sind in jedem Fall Biokunststoffe, da die Rohstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden.

    Herkömmliche Kunststoffe

    • Polyethylen
    • Polypropylen
    • Polyamid
    • Polystyrol
    Alternativ kann es sich um Biokunststoffe handeln, wenn die Ausgangsstoffe für die Herstellung dieser Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden.

  • Erkenne die Biokunststoffe an der Formel.

    Tipps

    Vinylalkohol ist nicht stabil, sein Polymer schon.

    Das Cellulosemolekül verfügt über drei freie Hydroxy-Gruppen, die acyliert werden können.

    Lösung

    Biokunststoffe können, genau wie Kunststoffe, durch Polymerisation kleiner Moleküle hergestellt werden. Die Monomere müssen dabei über funktionelle Gruppen verfügen, die eine Verknüpfung möglich machen.

    • Polymilchsäure: Die Carboxy-Gruppe und die Hydroxy-Gruppe bilden den Polyester.
    • Polyvinylalkohol: Das Monomer selbst ist nicht stabil.
    • Celluloseacetat: Das Cellulosemolekül wird dreifach acetyliert.
    • Caprolacton: Das ist ein weiterer Polyester.
  • Beschreibe die chemische Herstellung von Bio-Polyethylen aus Zucker.

    Tipps

    Alkohole können zu Alkenen reagieren.

    Ungesättigte Verbindungen sind zur Polymerisation befähigt.

    Lösung

    1. Ethanol aus Zucker

    $C_{12}H_{22}O_{11}$ + $H_2O$ $\longrightarrow$ 4 $C_2H_5OH$ + 4 $CO_2$

    Das ist die alkoholische Gärung.

    2. Ethen aus Ethanol

    $C_2H_5OH$ $\longrightarrow$ $CH_2=CH_2$ + $H_2O$

    Durch katalytische Dehydratation entsteht die ungesättigte Verbindung.

    3. Polymerisation

    n $CH_2=CH_2$ $\longrightarrow$ $(-CH_2-CH_2-)_n$

    Viele Ethen-Moleküle polymerisieren zum Polyethylen (PE). Da der Ausgangsstoff nachwachsend ist, spricht man von Bio-Polyethylen.

  • Entscheide, für welche Anwendungen Biokunststoffe geeignet sind.

    Tipps

    Biokunststoffe sind mitunter nützlich. Biologische Abbaubarkeit ist mitunter hinderlich.

    Die mechanische Beständigkeit von Biokunststoffen ist begrenzt.

    Lösung

    Biokunststoffe können herkömmliche Kunststoffe in vielen Bereichen ersetzen. In folgenden Bereichen werden sie zum Beispiel eingesetzt:

    • Gießkannen
    • Trinkhalme
    • Kugelschreiber
    • Sessel
    • Klappstühle
    • Pflanzentöpfe
    • Dübel
    • Tastaturen
    Natürlich werden diese Gegenstände nur teilweise aus Biokunststoffen gefertigt.

    Die Anwendung von Biokunststoffen hat allerdings auch Grenzen. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich zum Teil von den Eigenschaften herkömmlicher Kunststoffe. In folgenden Bereichen lassen sie sich daher nicht verwenden:

    • Bratpfannenbeschichtung: Dafür verwendet man Teflon.
    • Bekleidung: Die biologische Abbaubarkeit ist hier hinderlich.
    • Implantate: Wie in der Anwendung davor.
    • Trinkflaschen: Es gibt keine Verwendung.
    • Fußbälle: Die mechanische Belastung wird nicht gewährleistet.

  • Nenne die Eigenschaften, von denen Biokunststoffe jeweils mindestens eine besitzen sollten.

    Tipps

    Ein großes Problem für die Umwelt ist der Plastikmüll auf den Meeren.

    Gute Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln ist generell ein Problem bei Kunststoffen.

    Polyethylen ist gut zerspanbar.

    Lösung

    Biokunststoffe zeichnen sich durch drei Eigenschaften aus, von denen sie mindestens eine erfüllen müssen.

    • aus nachwachsenden Rohstoffen: Dadurch könnte man den Stoffkreislauf schließen.
    • biologisch abbaubar: Das ist ein guter Beitrag zu Müllentsorgung.
    • verträglich mit menschlichen und tierischen Organismen: Das ist aber wie gesagt kein notwendiges Kriterium.

  • Bestimme für die konventionellen Kunststoffen jeweils ein richtiges Edukt.

    Tipps

    Die Namen der Monomere der Kohlenwasserstoff-Polymere stecken schon im Namen.

    Styrol ist Vinylbenzol.

    Ethin ist aus Methan herstellbar.

    Lösung

    Kunststoffe entstehen durch Polymerisation kleinerer Moleküle. Dabei sind oftmals die eingesetzten Monomere in der Struktur und auch im Namen des Polymers erkennbar. In einigen Fällen reagieren aber auch zwei oder mehrere unterschiedliche Monomere miteinander oder die Polymerisation erfolgt über Zwischenprodukte. In diesen Fällen lässt sich nicht immer auf den ersten Blick erkennen, woraus die Polymere entstanden sind.

    • Polyethylen: Zucker $\rightarrow$ Ethanol $\rightarrow$ Ethen (Ethylen) $\rightarrow$ Kunststoff
    • Nylon: Adipinsäure + Hexamethylendiamin $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polystyrol: Ethylbenzol $\rightarrow$ Styrol $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polyvinylchlorid: Methan $\rightarrow$ Ethin $\rightarrow$ Vinylchlorid $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polypropylen: Propan $\rightarrow$ Propen (Propylen) $\rightarrow$ Kunststoff
    • Polybutadien: Butan $\rightarrow$ Buta-1,3-dien $\rightarrow$ Kunststoff
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