Wasser, Luft, Öl: Was PLA-Biokunststoff (nicht) gut filtern kann

Im Kampf gegen die Pan­demie sind Luft­fil­ter in aller Munde. Mit Fil­ter­ma­te­r­i­al aus Vliesstoff versper­ren sie viren­be­hafteten Aerosolen den Weg zurück in Räume. Doch wie kön­nen diese Geräte nicht nur die Gesund­heit schützen, son­dern auch mit möglichst umwelt­fre­undlichem Fil­ter­ma­te­r­i­al betrieben werden?
Dafür eignet sich unter klar definierten Bedin­gun­gen der Biokun­st­stoff Poly­lac­tid (PLA), auch als Polymilch­säure bekan­nt. Das lässt sich aus Ergeb­nis­sen von Forschen­den der Zuse-Gemein­schaft im kür­zlich abgeschlosse­nen Forschung­spro­jekt „BioFil­ter“ ableit­en. Die Schlüs­sel­frage für diesen und andere mögliche Anwen­dungs­bere­iche der Bio-Fil­ter lautet: Wie wirken sich die beson­deren Eigen­schaften von PLA auf Fil­ter­leis­tung und Halt­barkeit der Fil­ter aus? Denn gegenüber seinen fos­silen Konkur­renten kann PLA in der Prax­is Nachteile haben. Das Mate­r­i­al neigt zur Sprödigkeit und es mag hohe Tem­per­a­turen jen­seits von 60 Grad Cel­sius nicht beson­ders. Als bio­gen­er Stoff ist Polymilch­säure auch poten­ziell anfäl­liger für Abnutzung und organ­is­che Abbauprozesse. Das kann bei Nutzung von Fil­tern z.B. in Kläran­la­gen eine noch größere Rolle spie­len als bei Luft­fil­tern. Indus­triekun­den indes wollen aber naturgemäß ein beständi­ges, ver­lässlich­es Produkt.

Vom Monofilament zum Vliesstoff

Vor diesem Hin­ter­grund unter­sucht­en die Forschen­den die PLA-Eigen­schaften, um auf dieser Basis Vliesstoffe für Bio-Fil­ter zu erproben. Beteiligt waren das Deutsche Tex­til­forschungszen­trum Nord-West (DTNW) und das Säch­sis­che Tex­til­forschungsin­sti­tut (STFI), wo die Vliesstoffe hergestellt wur­den. Ver­wen­det wurde Gran­u­lat ver­schieden­er mark­t­gängiger Her­steller. Am Anfang der Unter­suchun­gen standen jedoch nicht die Vliesstoffe, in denen die Fasern dicht aneinan­der in ver­schiede­nen Schicht­en abgelegt sind, son­dern so genan­nte Monofil­a­mente, also mit Fäden ver­gle­ich­bare Fasern aus PLA. An diesen Monofil­a­menten führten das DTNW und das STFI zunächst Tests durch, so z.B. im Kli­maschrank auf Alterung und Haltbarkeit.
Wie im Bild zu sehen ist, wur­den die Monofil­a­mente bei höheren Tem­per­a­turen ab 70 Grad Cel­sius bere­its nach zwei Wochen brüchig, worüber die DTNW-Autorin­nen und ‑Autoren kür­zlich im Jour­nal Applied Poly­mer Mate­ri­als berichteten. Unter Normbe­din­gun­gen indes weisen die Monofil­a­mente auch nach fast drei Jahren keine mess­bar ver­ringerte Sta­bil­ität auf und auch die PLA-Vliesstoffe standen ihren auf fos­siler Basis hergestell­ten Pen­dants in Punk­to Fil­ter­leis­tung in nichts nach. „Der Fokus für die Nutzung von PLA als Fil­ter­ma­te­r­i­al wird mein­er Ansicht nach auf Anwen­dun­gen liegen, bei denen rel­a­tiv geringe Tem­per­a­turen vor­liegen, mit denen PLA sehr gut zurechtkommt“, sagt DTNW-Wis­senschaft­lerin Christi­na Schippers.

Neben Temperatur und Luftfeuchtigkeit weitere Faktoren beachten

Für die Forschen­den ging es in dem vom Bun­deswirtschaftsmin­is­teri­um geförderten Pro­jekt allerd­ings nicht nur um die Eig­nung von Poly­lac­tid für Luft­fil­ter, son­dern auch um andere Umge­bun­gen, z.B. für das Fil­tern von Wass­er. Zudem ergaben die Unter­suchun­gen, dass es bei der Bew­er­tung der Fil­ter­me­di­en aus biobasierten und bio-abbaubaren Vliesstof­fen neben der Tem­per­atur und der Luft­feuchtigkeit weit­ere Ein­flussfak­toren wie mech­a­nis­che Belas­tun­gen durch Luft­ströme zu beacht­en gilt. „Der inno­v­a­tive Kern des Pro­jek­ts bestand darin, die Möglichkeit­en und Ein­satz­gren­zen von PLA-Vliesstof­fen als Fil­ter­me­di­en mit aus­re­ichen­den mech­a­nis­chen Eigen­schaften und Langzeit­sta­bil­ität zu bew­erten“, sagt Pro­jek­tlei­t­erin Dr. Lar­isa Tsarko­va. Wie ihre Kol­le­gen vom STFI, so ist das DTNW engagiert im Clus­ter Bioökonomie der Zuse-Gemein­schaft, in dem die Forschen­den der gemein­nützi­gen Insti­tute unter dem Leit­satz „Forschen mit der Natur“ kooperieren. „Für uns ist die Bioökonomie ein branchenüber­greifend­es Top-The­ma, das zahlre­iche Insti­tute der Zuse-Gemein­schaft verbindet und durch Koop­er­a­tio­nen wie beim ‚Bio-Fil­ter‘ gelebt wird“, erk­lärt die kün­ftige STFI-Geschäfts­führerin Dr. Heike Illing-Günther.

Kooperation im Cluster Bioökonomie

Mit den erziel­ten Ergeb­nis­sen aus dem Pro­jekt „BioFil­ter“ wollen das DTNW und das STFI nun weit­er­ar­beit­en, um kün­ftig Ableitun­gen für klar beschriebene Ein­satzge­bi­ete der PLA-Vliesstoff-Fil­ter tre­f­fen zu kön­nen. Diese möglichen Ein­satzfelder reichen weit über Raum­luft­fil­ter und damit über die Pan­demie hin­aus. So ist die wasser­ab­weisende Eigen­schaft von PLA poten­ziell inter­es­sant für Fil­ter in Großküchen zur Wass­er-Öl-Fil­tra­tion oder auch in der Indus­trie bei Motorenölen.
Die Forschung ist auch deshalb so wichtig, weil PLA in einzel­nen ver­brauch­er­na­hen Seg­menten — Stich­wort Trage­beu­tel — schon recht gut einge­führt ist. Tra­di­tionell nutzte man Milch­säure zur Halt­bar­ma­chung von Lebens­mit­teln, so bei Sauer­kraut. Heute gewin­nt man PLA über eine mehrstu­fige Syn­these aus Zuck­er, der zu Milch­säure fer­men­tiert und diese zu PLA poly­merisiert, wie Kunststoffe.de erk­lärt. PLA gehört zu den bekan­ntesten Biokun­st­stof­fen, ist jedoch auf­grund der starken Nach­frage in den ver­gan­genen Jahren nicht immer gut ver­füg­bar gewe­sen. Das in den Nieder­lan­den ansäs­sige Unternehmen Total Cor­bion hat angekündigt, bis 2024 im franzö­sis­chen Grand­puits eine PLA-Anlage mit ein­er Jahreska­paz­ität von 100.000 t in Betrieb zu nehmen. Es wäre die größte Anlage dieser Art in Europa, bish­er ist Asien führend.