Filament aus Lebensmittelabfällen? – Interview mit Genecis

Deutsche werfen im Schnitt jährlich circa 85 Kilogramm Nahrungsmittel weg. Und dass diese Welt ein riesiges Problem mit zu viel Plastik hat ist allgemein bekannt. Auch Filamente für den 3D-Drucker tragen ihren Teil dazu bei. Was tun, um diese beiden Probleme zumindest ein bisschen zu lösen? Das kanadische Startup Genecis mit Sitz in Toronto bietet eine innovative Idee: Aus Lebensmittelabfällen stellen sie Polyhydroxyalkanoate (PHA) her; ein Kunststoff, welcher innerhalb eines Jahres in der Natur vollständig abgebaut werden kann. Wir sprachen mit Michael Williamson, dem Mechanical and Polymers Lead von Genecis, um mehr über PHA, dessen Herstellung und Vorteile zu erfahren.

Können Sie sich und Ihre Verbindung zum 3D-Druck vorstellen?

Genecis Bioindustries Inc. ist ein Bio-Cleantech-Unternehmen, das Lebensmittelabfälle in hochwertigere Materialien umwandelt. Die erste Produktlinie, die wir vermarkten, sind Polyhydroxyalkanoate (PHA), ein vollständig biologisch abbaubares Polymer, das sich innerhalb eines Jahres in marinen und terrestrischen Umgebungen leicht abbaut und gegenüber herkömmlichen Kunststoffen wie Polypropylen und Polyethylen bessere Eigenschaften aufweist. Insbesondere haben PHAs die folgenden physikalisch-chemischen Eigenschaften: Biokompatibilität, geringe Wasserdurchlässigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit. Darüber hinaus können PHAs mit verschiedenen Erdölkunststoffen gemischt und leicht zu Verbundharzen recycelt werden. Eine ausgezeichnete Anwendung für PHAs sind 3D-Druckfilamente, die in Kombination mit PLAs, ABS oder stärkebasierten Biokunststoffen verwendet werden können und bessere physikalische Eigenschaften für gedruckte Endprodukte bieten.

Auf dem Bild sehen Sie Michael Williamson ganz links im Bild und neben ihm Hasitha de Alwis and Kevin Eriksen. Bildnachweis: Genecis.

Wie sind Sie auf die Idee gekommen, Lebensmittelabfälle in Biokunststoffe umzuwandeln?

Luna Yu, die Gründerin von Genecis, führte umfangreiche Forschungen zur anaeroben Vergärung durch und erkannte die dem Prozess innewohnende Unrentabilität und dass der gesamte Prozess in zwei große mikrobielle Fermentationsschritte unterteilt werden konnte. Der erste Schritt war ein relativ schneller Prozess, der ein Zwischenprodukt produzierte, das einem speziellen Satz von Bakterien zugeführt werden konnte, die Kohlenstoffe essen und Polyhydroxyalkanoate (PHAs) produzieren konnten. PHAs sind eine Familie von hochwertigen biologisch abbaubaren Polymeren mit Eigenschaften, die herkömmlichen Kunststoffen überlegen sind, und haben Hunderte von Anwendungen in einer Vielzahl von Industrien.

Könnten Sie den Prozess der Herstellung von PHA beschreiben?

Der Gesamtprozess nutzt einen dreistufigen Prozess zur Entwicklung unserer PHAs. Zunächst werden organische Abfälle durch eine Bakterienkultur in flüchtige Fettsäuren zerlegt. Die Fettsäuren werden dann zu einer anderen Bakterienkultur hinzugefügt, die speziell ausgewählt wurde, um PHAs in ihren Zellen zu produzieren. Anschließend öffnet ein Extraktionsprozess die Zellen, kompiliert und reinigt den Kunststoff. Dieser gesamte Prozess läuft über einen Zeitraum von sieben Tagen ab, eine wesentlich schnellere Alternative zur Produktion von Biogas, welche bis zu 21 Tage dauern kann.

Welche Vorteile hat Ihr Kunststoff im Vergleich zu „traditionellen“ (3D-Druck) Kunststoffen?

Obwohl PLA/PHA-Blends bereits auf dem Markt für 3D-Druckanwendungen sind, bietet Genecis‘ PHA eine Reihe von Vorteilen. Die PHAs von Genecis sind ein Copolymer aus PHB und PHV (einfach bekannt als PHBV). PHB allein ist ein hartes und starkes Material, das sehr ähnliche Eigenschaften wie PLA aufweist. PHV hingegen ist viel weicher und dehnbarer als PHB oder PLA, und durch die Veränderung der Monomerzusammensetzung in unserem Polymer (d.h. HB/HV-Verhältnisse) können wir einen reinen, nicht gemischten Kunststoff mit einem breiten Spektrum von Eigenschaften herstellen, die mit PLA nicht verfügbar sind.

Ein weiterer Vorteil ist, dass PHA unter normalen Umweltbedingungen (sowohl terrestrische als auch marine) deutlich schneller abbaubar ist. PHAs können sowohl in aeroben als auch in anaeroben Umgebungen abgebaut werden, ohne toxische Nebenprodukte zu bilden. Denn PHA wird von Bakterien produziert, im Gegensatz zu PLA, das chemisch polymerisiert wird. Dadurch können diese PHA-Biokunststoffe bei Umgebungstemperatur leicht von Bakterien und anderen Mikroorganismen abgebaut werden. Diese Bakterien und andere Mikroorganismen sind unter normalen Umweltbedingungen reichlich vorhanden, und PHAs werden abgebaut, indem sie einfach in der Erde oder in einem Kompost zuhause entsorgt werden.

Im Erlenmeyerkolben befindet sich PHA Brühe, also eine Flüssigkeit, die PHA Zellen in Bakterien enthält, aus denen PHA extrahiert wird. Bildnachweis. Genecis.

Ist Ihr Material mit jedem FDM-Drucker kompatibel? Gibt es technische Spezifikationen zu beachten?

Genecis‘ PHA wird mit den meisten FDM-Druckern und anderen industriellen Fertigungsanlagen kompatibel sein. Variationen der Schmelzflussrate, Extrusionsgeschwindigkeit und Kühltemperatur ist prozessspezifisch. Diese Parameter werden derzeit mit unseren Polymeren untersucht.

Inwiefern unterscheidet sich PHA von PLA, insbesondere in Bezug auf die biologische Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit?

Reguläres, amorphes PLA ist spröde und weist eine geringe Schlag- und Reißfestigkeit auf, was es anfällig für Schäden macht. Es hat auch eine niedrige Wärmeformbeständigkeitstemperatur (55-65°C), was bedeutet, dass es nicht für Anwendungen oberhalb Raumtemperatur wie für Kaffeetassen oder heiße Speisen verwendet werden kann. PLA hat auch eine viel höhere Sauerstoff- und Wasserdurchlässigkeit als die meisten anderen Kunststoffe, was es ungeeignet für Anwendungen wie Flaschen für kohlensäurehaltige Getränke oder Artikel mit einer langen Haltbarkeit macht.

PLA wird innerhalb weniger Monate unter industriellen Kompostierungsbedingungen biologisch abgebaut, wobei hohe Temperaturen (>55°C) und Feuchtigkeit den Abbau fördern. PLA ist jedoch widerstandsfähiger gegen biologischen Abbau unter normalen terrestrischen Umweltbedingungen oder gar in Heimkompostern. PLA ist in marinen Umgebungen nicht ohne weiteres biologisch abbaubar und trägt neben konventionellem Kunststoff aus Erdöl zur Verschmutzung des Meeres bei. Die geschätzten biologischen Abbauraten von PLA liegen im Bereich von 80+ Jahren, es sei denn, es handelt sich um eine industrielle Kompostieranlage.

Im Gegensatz dazu baut sich PHA sowohl in terrestrischen als auch in marinen Umgebungen deutlich schneller ab. PHA wird durch mikrobielle Polymerisation hergestellt, nicht durch chemische Polymerisation. PHA wird von Mikroorganismen als Kohlenstoffspeichermolekül synthetisiert. Dadurch wird PHA auch von Mikroorganismen leicht abgebaut, um auf den gespeicherten Kohlenstoff für den Einsatz im Zellstoffwechsel zuzugreifen. Insbesondere zeigt PHA unter marinen Umgebungen eine wesentlich bessere Abbaubarkeit als PLA; eine Studie zeigt den 50-80%igen Abbau von PHA unter marinen Bedingungen innerhalb von 12 Monaten. Im Vergleich dazu zeigte PLA in der gleichen Zeit nur 5-8% Abbau, ähnlich wie das auf Erdöl basierende Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), das nicht biologisch abbaubar ist.

Das Genecis Team. Bildnachweis: Genecis.

Was sind Ihre zukünftigen Projekte?

Genecis hat eine Reihe von Projekten in der Entwicklung. In den nächsten Monaten werden wir unsere Betriebsparameter für eine Reihe von industriellen Anwendungen wie großformatige Extrusions-, Spritzguss- und Blasformprozesse validieren. Ein weiteres wichtiges Ziel für das nächste Jahr ist die Quantifizierung der Beziehung zwischen unseren Verarbeitungsparametern, den Parametern des Herstellungsprozesses und unseren Polymereigenschaften durch die Anwendung von KI-Schemata, die gesammelte experimentelle Daten verwenden. Darüber hinaus ist Genecis auch dabei, eine Demonstrationsanlage in Betrieb zu nehmen. Diese Anlage wird in der Lage sein, wöchentlich 3 Tonnen organische Abfälle in gebrauchsfertige PHA-Pellets umzuwandeln. Diese wichtige Phase des Scale-Up wird als letzter Schritt vor der vollständigen Kommerzialisierung unserer Technologie dienen.

Noch ein paar letzte Worte an unsere Leser?

Verbraucher haben einen großen Einfluss auf große Marken – ihre Ansprüche, Wünsche und Bedürfnisse sind das, worauf diese Marken ausgerichtet sind. Die Botschaft für einen biologisch abbaubaren Kunststoff wurde gehört. Die Verschmutzung durch Kunststoffe wird als ein wichtiges Thema anerkannt, und wir müssen diese Botschaft weiter verbreiten, dazu kommt hinzu, dass wir  auch unsere Probleme mit Lebensmittelabfällen und die Menge der anfallenden Lebensmittelabfälle anerkennen sowie die Optionen für deren Entsorgung in Nordamerika suchen. Die Förderung unserer Lösung ist äußerst nützlich, da sie diese Probleme angeht und um unsere Technologie effektiv zu kommerzialisieren, ist Unterstützung durch Verbraucher, Großunternehmen und Regierungen erforderlich. Mehr Informationen finden Sie auf unserer Website.

*Beitragsbild: Genecis‘ PHA in seiner granularen Form bevor es veredelt und in Pellets umgeformt wird. Bildnachweis: Genecis. 

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