Biologisch abbaubare und biobasierte Polymere

Biologisch abbaubare Polymere zerfallen durch Hydrolyse oder enzymatische Wirkung in unbedenkliche Produkte, während biobasierte Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden; die beiden Eigenschaften überschneiden sich, sind aber unterschiedlich, und beide begegnen der Umweltbelastung durch herkömmliche Kunststoffe.

Definition

Biologisch abbaubare Polymere sind Polymere, die durch Hydrolyse oder mikrobielle und enzymatische Wirkung in niedermolekulare Produkte zerlegt und letztendlich mineralisiert werden können, während biobasierte Polymere Polymere sind, die ganz oder teilweise aus nachwachsenden biologischen Rohstoffen anstelle von Erdöl synthetisiert werden.

Scope

Dieses Thema behandelt Polymere, die zum Abbau bestimmt sind, und Polymere, die aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden: hydrolysierbare Polyester wie Polymilchsäure, Polyglykolsäure, Polycaprolacton und Polyhydroxyalkanoate; Polysaccharid-basierte Materialien wie Stärke und Cellulosederivate; die Chemie des hydrolytischen und enzymatischen Abbaus; die Unterscheidung zwischen biologischer Abbaubarkeit und biobasierter Herkunft; und die Kompromisse bei Eigenschaften, Kosten und Entsorgungswegen.

Core questions

• Welche chemischen Merkmale machen ein Polymer biologisch abbaubar?
• Wie unterscheiden sich biologische Abbaubarkeit und biobasierte Herkunft, und warum ist die Unterscheidung wichtig?
• Wie bauen sich hydrolysierbare Polyester wie Polymilchsäure ab?
• Welche Kompromisse bei Eigenschaften und Kosten begrenzen den Ersatz herkömmlicher Kunststoffe?

Key theories

Hydrolytischer und enzymatischer Abbau

Rückgrate, die Ester-, Amid- oder glykosidische Bindungen enthalten, können durch Wasser oder Enzyme in kleinere Fragmente gespalten werden, die von Organismen metabolisiert werden; die Abbaurate hängt von der Bindungschemie, Kristallinität, Hydrophilie und der Umgebung ab.

Unterscheidung von biobasiert und biologisch abbaubar

Der erneuerbare Ursprung eines Polymers und seine Abbaubarkeit sind unabhängig voneinander: einige erdölbasierte Polymere sind biologisch abbaubar, während einige biobasierte Polymere langlebig sind, daher muss jede Eigenschaft für Nachhaltigkeitsaussagen separat bewertet werden.

Mechanisms

Der biologische Abbau beginnt typischerweise mit der Spaltung hydrolysierbarer Rückgratbindungen – Esterbindungen in aliphatischen Polyestern, glykosidische Bindungen in Polysacchariden – entweder nur durch Wasser oder katalysiert durch mikrobielle Enzyme, wodurch die Molmasse reduziert wird, bis die Fragmente klein genug sind, um assimiliert und zu Kohlendioxid, Wasser und Biomasse mineralisiert zu werden. Die Geschwindigkeit wird durch die Bindungschemie, Kristallinität, Oberfläche, Hydrophilie und die Umgebungsbedingungen von Feuchtigkeit, Temperatur und mikrobieller Aktivität bestimmt. Biobasierte Polymere werden stattdessen durch den Rohstoff definiert: Monomere wie Milchsäure oder biobasiertes Ethylen stammen aus Fermentation oder Pflanzenquellen, unabhängig davon, ob das resultierende Polymer abgebaut wird.

Clinical relevance

Diese Materialien begegnen dem Plastikmüll und bieten medizinische Funktionen: kompostierbare Verpackungen, landwirtschaftliche Mulchfolien und Geschirr reduzieren hartnäckigen Müll, während resorbierbare Polyester wie Polymilchsäure und Polyglykolsäure für Nähte, Wirkstofffreisetzungsmatrizen und Gewebezüchtungsgerüste verwendet werden, die sich sicher im Körper abbauen. Eine realistische Akzeptanz hängt von der Übereinstimmung von Eigenschaften, Kosten und einer geeigneten Entsorgungsinfrastruktur ab.

History

Aliphatische Polyester gehörten zu den ersten synthetischen Polymeren, die Carothers in den 1930er Jahren untersuchte, wurden aber zunächst als zu leicht hydrolysierbar beiseitegelegt; dieselbe Hydrolysierbarkeit machte sie später wertvoll, wobei resorbierbare Nähte und Systeme mit kontrollierter Freisetzung ab den 1970er Jahren entwickelt wurden und großtechnische Biokunststoffe wie Polymilchsäure mit zunehmender Besorgnis über die Persistenz von Kunststoffen kommerzialisiert wurden.

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

Ist jedes biobasierte Polymer biologisch abbaubar?

Nein. Herkunft und Abbaubarkeit sind unabhängig. Biobasiertes Polyethylen, das aus pflanzlichem Ethylen hergestellt wird, ist chemisch identisch mit gewöhnlichem Polyethylen und baut sich nicht biologisch ab, während einige erdölbasierte Polyester sich abbauen.

Warum sind Polyester so häufig biologisch abbaubare Polymere?

Ihre Esterbindungen sind anfällig für Hydrolyse und enzymatische Spaltung, sodass das Rückgrat in kleine, metabolisierbare Fragmente zerlegt werden kann. Dies macht aliphatische Polyester wie Polymilchsäure sowohl kompostierbar als auch nützlich als resorbierbare medizinische Materialien.