Polymilchsäure

4,8 bis 12,7 Tonnen Plastikmüll werden jährlich in unsere Weltmeere eingetragen. Dieses Plastik schadet vorwiegend den in den Meeren lebenden Tieren, aber im Rückschluss daraus auch uns Menschen. ²

Abb. 1: Plastikverschmutzung im Meer

Dass die immensen Plastikmengen in den Meeren ein riesiges Problem sind, sollte mittlerweile allen bekannt sein. Deswegen ist die Forschung an biologisch abbaubaren und nachhaltigen Kunststoffen wichtiger denn je.

Polymilchsäure stellt einen biologisch abbaubaren Kunststoff dar.

Polymilchsäure – Eigenschaften

Die Eigenschaften der Polymilchsäure lassen sich in chemische, physikalische und biologische Eigenschaften unterteilen.

Polymilchsäure – chemische Eigenschaften

Die Polymilchsäure ist ein Stoff der Gruppe der Polyester.

Eigenschaften wie die Molekülmasse und der Kristallinitätsgrad beeinflussen zusätzlich die Form des Stoffes.

Aufgrund der Methylgruppen, die sich an der Hauptkette der Polymilchsäure befinden, besitzt der Stoff hydrophobe Eigenschaften.

Polymilchsäure – Strukturformel

Abb. 2: Strukturformel von Polymilchsäure (PLA)

Die Polymilchsäure ist aus einzelnen Monomeren der Milchsäure aufgebaut. Diese werden zu langen Ketten zusammengefügt und ergeben dann die Polymerstruktur des Polylactids.

Polymilchsäure – physikalische Eigenschaften

Durch die hydrophoben Eigenschaften des Polylactids, nimmt das Material nur im geringen Maße Feuchtigkeit auf. Das macht PLA besonders geeignet zur Verarbeitung zu Verpackungsmaterial.

Des Weiteren besitzt es eine geringe Entflammbarkeit, eine hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlen und eine hohe Farbechtheit. Durch das große Festigkeits- und Gewichtsverhältnis, kann das Material auch für Leichtbauanwendungen optimal genutzt werden.

Polymilchsäure – biologische Eigenschaften

Die Eigenschaft, die PLA so einzigartig macht, ist die Möglichkeit des biologischen Abbaus. Die biologische Abbaubarkeit ist jedoch abhängig von der chemischen Zusammensetzung des Materials und den äußeren Einflüssen, die auf das Material einwirken.

Unter industriellen Bedingungen dauert die Zersetzung des Stoffes maximal wenige Monate. In der Natur jedoch kann der biologische Abbau bis zu zwei Jahre dauern. Das liegt daran, dass die Mikroorganismen, die für die Zersetzung des Stoffes benötigt werden, nur unter bestimmten Bedingungen optimal existieren können. In industriellen Kompostieranlagen wird eine solche Umgebung geschaffen und der Abbau kann stattfinden.

Polymilchsäure – Entdeckung

Zuerst entdeckt wurde Polymilchsäure 1845 bei dem Versuch, Milchsäure durch Erhitzen aufzureinigen. Das Wasser wurde hierbei entfernt und der Forscher konnte eine Bildung von Polymeren beobachten. Erst 1932 entwickelt dann ein Mitarbeiter eines Chemie-Konzerns eine Möglichkeit zur Herstellung von Polylactiden aus Lactiden.

Polymilchsäure – Herstellung

Als Grundlage für die PLA dient die natürlich vorkommende Milchsäure, die hauptsächlich aus pflanzlicher Stärke gewonnen wird. Durch Fermentation aus einer Kohlenhydratquelle wie Maisstärke oder Zuckerrohr wird PLA mithilfe von Mikroorganismen hergestellt. Die eingesetzten Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen oder Schimmelpilze sind in der Lage, die Kohlenhydratquelle zu Milchsäure umzusetzen. Für diese Umsetzung benötigen die Mikroorganismen ein optimales Umfeld, was in Bioreaktoren imitiert wird.

Die Herstellung der Polymilchsäure lässt sich in vier Schritte unterteilen:

1. Substratkonditionierung

2. Milchsäurefermentation

3. Milchsäureisolierung

4. Synthese/Polymerisation

Zunächst findet die Substratkonditionierung statt. Dabei wird etwa die Stärke aufgespalten, um die weiteren Reaktionen zu erleichtern. Bei der Milchsäurefermentation setzen dann die eingesetzten Mikroorganismen die pflanzliche Stärke unter dem Ausschluss von Sauerstoff zu Milchsäure um. Nach der Isolation der Milchsäure wird sie über eine Polykondensationsreaktion zu Polylactid umgesetzt.

Polymilchsäure – Verwendung

Der Stoff Polylactid ist vielfältig einsetzbar und durch die Fähigkeit der biologischen Abbaubarkeit eine perfekte Alternative zu herkömmlichem Plastik. Somit wird diese umweltfreundlichere Methode bei Verpackungen, in der Landwirtschaft, in der Medizin oder im 3D-Druck verwendet.

Verpackung

Am häufigsten wird Polymilchsäure für Verpackungen eingesetzt. Beispiele dafür können Joghurtbecher, Dosen oder Flaschen sein. In diesen Fällen kann das PLA ein Ersatz für das klassische Verpackungsmaterial Polyethylen und Polypropylen sein.

Landwirtschaft

In der Landwirtschaft werden Folien aus Polylactid verwendet, um Felder oder Ackerflächen abzudecken. Dadurch wird die Ernte vor Frost geschützt. Der Vorteil von Folien aus PLA ist, dass diese nach dem Einsatz untergepflügt werden können und sich dann biologisch abbauen. Folien aus PA oder PE müssten nach dem Einsatz wieder vom Landwirt eingesammelt und gereinigt werden.

Abb. 4: Mulchfolie aus PLA.

Medizintechnik

Nicht nur in der Natur kann PLA abgebaut werden, sondern auch im menschlichen Körper. Somit werden in der Medizin häufig Implantate oder Nahtmaterial (Fäden) aus PLA verwendet. Hierbei unterscheiden sich die Produkte aus PLA nicht in der Qualität von den anderen Produkten. Ein weiterer Vorteil ist auch, dass kein weiterer chirurgischer Eingriff nötig wird, um die eingesetzten Produkte wieder zu entfernen.

3D-Druck

Durch die thermoplastischen Eigenschaften des Polylactids ist es besonders gut für den 3D-Druck geeignet. Die Schmelztemperatur liegt bei 150 - 160 °C. Besonders beliebt ist das PLA als 3D-Druckmaterial, weil die Verarbeitung mit dem Stoff einfach und sehr präzise ist. Zudem ist der Biokunststoff sehr formstabil und beständig gegenüber Alkohol, Wasser und Fetten.