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1
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 1
Biokunststoffe – nachhaltige Werkstoffe der Zukunft oder Modetrend
www.ifbb-hannover.de
H.-J. Endres
B.A.U.M.-Thementag „Green Office Day“, Frankfurt, 29. Januar 2013
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 2
Name: Hans-Josef Endres
Familienstand: 46 Jahre, verheiratet, 2 Töchter (18 und 13 J.)
Wohnort: Barsinghausen (bei Hannover)
Studium: Maschinenbau (Ruhr-Universität Bochum) mit Vertiefungsrichtung Werkstofftechnik
Beruf:
• Ca. 9 Jahre Industrietätigkeit, zuletzt Bereichsleiter (230 Mitarbeiter) bei Thysse n-Krupp
• Berufsbegleitende Promotion
• Seit 1999 Professur an der Hochschule Hannover
• Aufbau: - verschiedener neuer Studiengänge
- eines neuen Hochschulinstituts für Biokunststoff e IfBB
- eines Fraunhofer Anwendungszentrums für Holzfaserforschung (HOF ZET)
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 3
Quelle: VW, Peter Helmke
KOSTEN
GEWICHT
Golf 1 Golf 6
Kunststoffe im Automobil
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 4
Growth of population(Expectation: plastic consumption per head in India and China as high as in Europe)���� Worldwide production of plastics has to be doubled!
Issue for environment: critical exploitation of oil with increasing ecological impacts and littering of plastics (globally considered)
Consumption of crude oil 5.000.000 x higher than its rate of regeneration ���� future problem only to convert energy, but to meet the increased quantity requirements for plastics will become a feedstock problem!
The future of plastics?
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 5
Historical development of Biopolymers
Non degradable
Petro-based
Degradable
Bio-based
Bio-degradable
Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths;Engineering Biopolymers, Carl Hanser-Verlag, 2011
1. Cellulose AcetatesRubber, Casein…
4.Polylactide,
Starch blends,Cellulose Hydrates,
Polyhydroxyalkanoate
2.Polyethylene
PolypropylenePolyvinylchloride
…
3.PolycaprolactonePolyvinyl alcoholPolyester (PBAT,
PBS,..)…
5.Bio-PA, Bio-PE
Bio-PET, PTT,…
Bio-degradable and bio-basedBio-based
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 6
Applications of Biopolymers
NonBiodegradable
Petro-chemicalFeedstock
Bio-degradable
Bio-basedFeedstock
Source: BASF
Source: Coca Cola
Conventional plastics
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 7
Current Stage of Development and Production Scale of Thermoplastic Biopolymers (2012)
Source: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths; Engineering Bioplymers, Carl Hanser-Verlag, 2011, modifiziert
Durables Degradables
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 8
Global production capacity of bioplastics
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 9
Mögliche biobasierte FasernEinsatz nachwachsender
Rohstoffe möglich
Keramikfasern
Kohlenstofffasern
Glasfasern
Synthesefasern
Borfasern
Naturfasern tierisch
pflanzlich
Bio-PE
Bio-PA
Bio-PET, PTT
Faserarten
RayonLignin
C-Fasern auf Cellulose-
oder Ligninbasis
Bio-Ethanol aus Zuckerrohr
Einsatz von Rizinusöl z.B.
Biobasierter Alkohol
Seide, Schafwolle, Kaschmir
Samenfasern, Bastfasern, Fruchtfasern, Hartfasern, Holzfasern
RegeneratChemische Lösung und
Fällung von Cellulose
PLA-Faser Polylactid aus Maisstärke
Quelle: H.-J. Endres, T. Koplin, C. Habermann; Technik und Umwelt vereint?; Kunststoffe 06/2012
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 10
Acreage competition
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 11
Yields of renewable raw materials (not biomass)
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
Sug
arca
ne
Sug
ar-b
eet
Cor
n
Pot
ato
Whe
at
Ric
e
Pal
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Whe
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traw
Hem
p
Fla
x
Cot
ton
Sugar Starch Vegetable Oils Cellulose(fibers)
[t /(
ha*a
)]
Source: Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths;Technische Biopolymere, Carl Hanser-Verlag, Juni 2009
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 12
Cellulose Alkalization
Polyaddition
Cellulose
Vegetableoil/fat
SulfidationCellulose-
XanthogenateAlkali
cellulosePolymeri-
zationRegenerate Cellulose
Cellulose Derivates Cellulose
Ether
Cellulose Ester
Alkali cellulose
Esterification
EtherificationAlkalization
Vegetableoil/fat
Biogenic polyolsmultivalent oil alcohols
(dicarboxylic acids)Bio-PUR
Condensation
Condensation
Ring-opening Polymerization
Bio-based dicarboxylicacids
Amino carboxylic acids
(bio-based) Caprolactam
Bio-PA
Starch, Glucose, Vegetable oil, Organic acids
FermentationCompounding
and granulationPHA (PHB)
PCLRing-opening
Polymerizationε-caprolactoneConversion
Peroxxyaceticacid
Cyclo-hexanone
Petro-basedDiamines
Vinyl acetate
Polymerization TransesterificationPolyvinyl acetate PVOH (PVB)
PLALactide PolymerizationFermentationOligomerization
SynthesisStarch,
Glucose Lacticacid
Starch-basedbiopolymers
Starch Fermentation/ Denature/ Fillers
Isolation ofbiopolymer
Ammonia
Petro-basedIsocyanates
Petro-based fatty acidsacid anhydrides
Causticsoda
Plasticizer
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 13
0
5
10
15
20
25
30
35
[t B
iopo
lym
er/(
ha*a
)]Theoretical minimum and maximumyields per acreage of bioplastics
Source: H.-J. Endres, A. Siebert-Raths,Engineering Biopolymers, Hanser Verlag 2011, modified
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 14
Annual plastics
production[106 t]
Annual bioplasticproduction
in 2016[106 t]
Land use for bioplasticproduction in 2016
(assumption 0,5 kt BP/km2)[km2]
Arable land [km2]
World 265 5.8 11.500 14 million
EU 60 0.3 1.000 1.1 million
Germany 20 0.15 500 0.12 million
Lake Constance 540
Full replacement of total petro-based
plastics with bioplasticsrequires
< 5 % of the global arable land.
Full replacement of total petro-based
plastics with bioplasticsrequires
< 5 % of the global arable land.
Full replacement of petro-based plastics
of the automotive industry with
bioplastics requires < 0,3 % of the global
arable land.
Full replacement of petro-based plastics
of the automotive industry with
bioplastics requires < 0,3 % of the global
arable land.
Land use of bioplastics (2016)
Land use for the annual bioplastic
production in 2016:
< 0,1 % of theglobal arable land.
Land use for the annual bioplastic
production in 2016:
< 0,1 % of theglobal arable land.
Full replacement of petro-based plastics
of the packaging industry with
bioplastics requires < 2% of the global
arable land.
Full replacement of petro-based plastics
of the packaging industry with
bioplastics requires < 2% of the global
arable land.
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 15
End-of-Life Options of Biopolymers
Source: H.-J. Endres, A. Siebert, A.-S. KitzlerBiopolymers – a discussion on end of life optionsBioplastics Magazine 01/08
Biopolymer product
Landfill
IndustrialComposting
Metabolizationin organism
Anaerobicdigestion
(����Bio-methane)
NeutralIncineration
Chemical Recycling
Domesticcomposting
Dissolving in (salt) water
Litter
Decompositionin soil
Mechanical Recyling
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 16
Pre- and Postconsumer Recycling
Recycling
Preconsumer Postconsumer
Productionwaste
Waste ofevents
Householdgarbage
unalloyed alloyslaminates
almostunalloyed,contaminatedwith food
Material mixture, composites, alloyspolluted
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 17
Identification of Biopolymers by Near Infrared Spectroscopy (NIR)
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 18
Thermo-mechanical recycling of Biopolymers
Injection molding
Log (η)
(γ) [1/s] &Log -1
Extrusion
Melt flow index
Rotational rheometer Capillary
rheometer
f (T, p, Material)
0 1 2 3 4 5
Shear thinning behavior of biopolymer melts
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PET PS LDPE HDPEIngeo PLA
Ecoflex Ecovio MaterBi Sorona
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Anaerobic digestion
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 20
Incineration with energy recovery
Endres, Siebert-Raths:Technische BiopolymereHanser Verlag 2009
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 21
Reference Impact Category PLA PS
CO2 Global Warming Potential (GWP) +C2H4 Ozone Creation Potential (Sumer-Smog) (POCP) +PO4- Eutrophication Potential (EP) +SO2 Acidification Potential (AP) +kg PM 10 Dust +
kg crude oil units Non Renewable Energy Use (NREU) +GJ Comulated Non Renewable Energy Use +m3 Water consumption +m2/Jahr Land use +
Cradle to cradle-LCA of DanoneActivia-cup (115 g) of PS and PLA
Source for data: IFEU GmbH
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 22
Auch zukünftig weiteres Wachstum des Kunststoffverbrauchs (ca. 5% jährlich)
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 23
Zurück zum Solarzeitalter
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 24
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 25
Lack of data(quality, quantity and comparability)
Manufacturers of
Biopolymers
ManufacturingIndustry /
UserData-bank
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 26
Biopolymer Database– Comparison of materials and properties
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 27
http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=3-446-41683-8&area=Technik
http://www.hanser.de/buch.asp?isbn=978-3-446-42403-6&area=Technik
Für weitere Informationen
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 28
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 29
Die Bedeutung der Kommunen
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 30
See www.nawaro-kommunal.de and www.fnr.de
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 31
Beispiel 1Tastatur ‚Fujitsu KBPC PX ECO‘
• Gehäuse aus Celluloseacetat, beständig
• Biobasierter Anteil~ 45 %
• Preis: ab ca. 36,00 €
• Bürobedarf / Elektroartikel
• Keine weiteren Zertifikate
• Im Einzelhandel verfügbar
• Quelle: Fujitsu / bdbayer-shop.de
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 32
Beispiel 2Öko-USB-Stick ‚Emtec M600‘
• Gehäuse aus PLA, beständig
• Biobasierter Anteil100 % (Gehäuse)
• Preis: ca. 14,30 € (4 GB)
• Bürobedarf / Elektroartikel
• Keine weiteren Zertifikate
• Im Onlineshop verfügbar
• Quelle: EMTEC / ZBP Media
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 33
Beispiel 3Korrekturroller ‚Pritt ECOmfort‘
• Gehäuse aus PLA und Cellulosefasern
• Biobasierter Anteil89 %
• Preis: ab ca. 1,60 €
• Bürobedarf
• 3. Platz als „Biowerkstoff des Jahres“ 2010
• Im Einzelhandel verfügbar
• Quelle: Henkel / karp-shop.de
Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 34
Beispiel 4highlighter edding 24 ‚EcoLine‘
• Gehäuse aus Lignin-derivat, Filterfasern aus Recyclingmaterial
• Biobasierter Anteil>= 70 %
• Preis: ab ca. 0,95 €
• Bürobedarf
• Keine weiteren Zertifikate
• Im Einzelhandel verfügbar
• Quelle: edding AG / bfh24.de
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Institutsleiter: Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef Endres 35
Prof. Dr.-Ing. Hans-Josef EndresIfBB - Institut für Biokunststoffe und BioverbundwerkstoffeHochschule Hannover Fakultät Maschinenbau und Bioverfahrenstechnik Heisterbergallee 12D-30453 HannoverTel.: 0049 (0)511-9296-2212Fax: 0049 (0)511-9296-2210Email: [email protected]: www.ifbb-hannover.de
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