Rekombinante Spinnenseide als nachhaltiges Biomaterial : Prozessanalyse und Bewertung anhand eines bio-inspirierten Staubbeutels

Titelangaben

Lauterbach, Anja Yvonne:
Rekombinante Spinnenseide als nachhaltiges Biomaterial : Prozessanalyse und Bewertung anhand eines bio-inspirierten Staubbeutels.
Bayreuth , 2021 . - VI, 228 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005306

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Abstract

Bioinspirierte Materialien, wie artifizielle Spinnenseide, können zukünftig wichtige Bestandteile von neuen Produkten sein. Artifizielle Spinnenseide verbindet die optimierten Eigenschaften von natürlichen Materialien mit modernen Methoden der Materialwissenschaften. Die These, dass die Verwendung von artifizieller Spinnenseide zur Nachhaltigkeit beiträgt, sollte jedoch fundiert überprüft werden.
Beim Vergleich von Polymer- mit Spinnenseidenfasern ist der Kostenfaktor immer das erst-rangige Argument. Polymerfasern sind sehr kostengünstig, wenn man den aktuellen Markt-preis berücksichtigt. Bei knapper werdenden Rohstoffen und steigenden Rohstoffpreisen, wie z.B. für Rohöl, und unter Berücksichtigung von Einflüssen der Umweltverträglichkeit bei der Produktion, könnte sich die biotechnologische Produktion von artifizieller Spinnenseide je-doch, in Summe aller Faktoren, als vorteilhaft herausstellen. Biotechnologische Prozesse laufen unter sanften Bedingungen (moderate Temperaturen, normaler Druck, geringe Chemikalienkonzentrationen) ab, wohingegen chemische Prozesse meist bei hohem Druck und hoher Temperatur unter Zuhilfenahme von Chemikalien, mit zum Teil negativen Umwelt-auswirkungen, ablaufen.
Um Nachhaltigkeit durch Quantifizierung von Umweltauswirkungen messbar zu machen bietet sich dich Methodik der Ökobilanzierung bzw. das Life Cycle Assessment an. Um eine fundierte Aussage zu den potenziellen Umweltauswirkungen der Herstellung und Verwendung artifizieller Spinnenseiden treffen zu können, wurde eine vergleichende ökobilanzielle Betrachtung durchgeführt. Die erstellte vereinfachte Ökobilanz erfolgte entsprechend den Richtlinien der ISO 14040 und 14044. Eine vereinfachte Ökobilanz zeichnet sich dadurch aus, dass viele der notwendigen Daten der Sachbilanz aus Mangel realer Daten geschätzt oder berechnet werden. Es wurde einerseits die Herstellung von artifizieller Spinnenseide basierend auf einer, aus dem Labormaßstab hochgerechneten Abschätzung der Erzeugung künstlicher Spinnenseide im Produktionsmaßstab erarbeitet, sowie andererseits als eine konkrete Anwendung des Einsatzes künstlicher Spinnenseide, die Bewertung eines Spinnenseiden-Submikrogewebes im Staubbeutel im Vergleich zu einem etablierten Staubbeutel Filter-gewebe, durchgeführt. Zur Erstellung der Sachbilanzdaten wurden die einzelnen Prozess-schritte des Produktionsverfahrens mit Equipment abgebildet, um somit die verbrauchten Materialien, Medien und Energien im Prozess valide abzuschätzen und deren Umweltaus-wirkungen berücksichtigen zu können.
Zur Abbildung des Lebenszyklus und der Prozessschritte der ökobilanziellen Betrachtung wurde das Programm Umberto verwendet, welches es ermöglicht chemische und biotechno-logische Prozesse abzubilden und zu vergleichen. Umberto ermöglicht eine einfache Modellierung, Berechnung und Visualisierung, sowie durch Verwendung einer umfangreichen, wissenschaftlich gut fundierten und transparenten Ökobilanz-Datenbank, wie ecoInvent 2.2, die Bewertung von Stoff- und Energieflüssen. Die Stoffflussdaten bieten eine wertvolle Unterstützung für den Vergleich von Technologievarianten und bei der Auswahl von Verbesserungsmaßnahmen.

Die Auswertung der Ergebnisse der ökobilanziellen Betrachtung der Produktion von 1 kg Spinnenseide zeigte als größtes Potential zur Verbesserung der Umweltauswirkung den Produktionsschritt der Fermentation. Über eine Reduzierung des Glucosebedarfs und der notwendigen Kühlenergie bei der Fermentation könnte die Herstellung von Spinnenseide optimiert und so eine erhebliche Reduzierung der Umweltauswirkung erreicht werden.

Die Bewertung der Verwendung des Spinnenseiden-Submikrogewebes in einem Staubbeutel im Vergleich zu einem etablierten Staubbeutel Filtergewebe führte eindeutig zu einer Umweltentlastung. Die Einsparung an Energie und des Standard-Filtermaterials überwog deutlich die Aufwendung zur Herstellung und Entsorgung des zusätzlichen Spinnenseiden-Submikrogewebes. Durch Einsatz eines Staubbeutels mit Spinnenseidengewebe könnten 9 kg CO2-Equivalente in der Wirkungskategorie Klimaerwärmung pro Jahr und Haushalt eingespart werden und mit der Annahme, dass alle eingesetzten Staubbeutel eine Lage Spinnenseidengewebe enthalten, könnte für Deutschland eine Umweltentlastung von 241 Mio. kg CO2-Equivalenten in der Wirkungskategorie Klimaerwärmung pro Jahr erreicht werden. Somit könnte die in der EU-Richtlinie 666/2013 geforderte Energieeinsparung von Staub-saugern bei gleichbleibender Saugleistung zu einem Teil durch den Einsatz eines Spinnenseidengewebes geleistet werden. Die Ergebnisse der ökobilanziellen Betrachtung des Spinnenseiden-Submikrogewebes im Staubbeutel wurden 2015 beim Journal Green Materials veröffentlicht.

Der Vergleich mit Polyamid 6,6 zu Abschätzung weiterer potenzieller Anwendungen zeigte, dass die Ergebnisse der vereinfachten Ökobilanz für Spinnenseide basierend auf der Hoch-rechnung des Laborprozesses bei einem 1:1 Ersatz kein Umweltentlastungspotential auf-weist. Als Ansatzpunkte für eine Verbesserung der Emissionswerte der Herstellung von Spinnenseide im Vergleich zu anderen Materialien wurde einerseits die Verwendung von realen Daten der Herstellung von Spinnenseide im Produktionsmaßstab identifiziert, und andererseits zur Erhöhung der Vergleichbarkeit die Anwendung gleicher Allokationsmethoden und Umsetzung weitere Annahmen bei den Herstellprozessen empfohlen.

Abstract in weiterer Sprache

Bioinspired materials, such as artificial spider silk, could become an important part of new products in the future. Artificial spider silk combines the optimized features of natural mate-rials with modern methods of materials sciences. The assertion that using artificial spider silk would contribute to sustainability, however, needs to be examined in depth.
The cost factor is always the primary argument when comparing fibers of synthetic polymers to those of spider silk. Synthetic polymer fibers are low-cost if only the actual market price is considered. With resources becoming scarcer and their costs rising, such as for crude oil, and considering the environmental sustainability of manufacturing, the biotechnological production of artificial spider silk could in sum become more advantageous. Biotechnological processes operate under mild conditions (moderate temperature, regular pressure, low chemical concentrations) whereas chemical processes operate mostly with high pressure and high temperatures with the help of chemicals with partly negative environmental effects.
Life Cycle Assessment offers the possibility to measure the sustainability of environmental impacts. A simplified ecological assessment was conducted to provide a well-founded statement about the potential economic impacts of the production and usage of artificial spider silk. The simplified LCA developed for this study was carried out according the guidelines ISO 14040 und 14044. A simplified LCA is characterized by a life cycle assessment calculated from estimated figures where data on actual operational values are unavailable. One part of the assessment was the production of artificial spider silk based on an upscaled estimation of the laboratory process. The other part of the assessment was the operation of artificial spider silk used as a sub-microfabric filter layer in a vacuum cleaner dust bag compared to the filter in a conventional dust bag. For the creation of the data for the life cycle inventory assessment, the individual production process steps were described with the equipment necessary to validly estimate the needed materials, media and energy inputs.
The program Umberto was used to visualize the life cycle and the process steps in the simplified ecological assessment. Umberto allows the comparison of chemical and biotechnological processes. Umberto enables the assessment of material and energy flows by simple modelling, calculation and visualization as well as by use of a comprehensive database with scientifically grounded and transparent LCA data such as ecoInvent 2.2. The material and energy flows offer a valuable support for the comparison of technology variants and the identification of improvement potentials.
The evaluation of the results of the simplified LCA for producing 1 kg spider silk showed that the process step of fermentation has the best potential for improving ecological impact. A considerable reduction of the environmental impact from fermentation could be achieved by reducing glucose consumption and the energy required for cooling.

The evaluation of using spider silk sub-microfabric as a filter layer in a dust bag compared to a conventional dust bag filter clearly showed reduced environmental burdening. The savings in energy inputs and standard filter material considerably outweighed the costs for the additional production and disposal of the spider silk sub-microfabric. The usage of a dust bag with a spider silk filter layer could result in a reduction of 9 kg CO2 equivalents per year and household in the impact category of climate change. Assuming that all used dust bags contained a spider silk filter layer, a reduction in environmental burdening of 241 Mio. kg CO2 equivalents per year could be achieved in the impact category of climate change for Germany. Consequently, the required energy savings for vacuum cleaners in the EU directive 666/2013 could be provided partly by using a spider silk filter layer in vacuum cleaner dust bags. The results of the simplified ecological assessment of the spider silk sub-microfabric as a filter layer in a dust bag were published in 2015 in the journal Green Materials.

The comparison of the production of spider silk and polyamide 6,6 for the evaluation of future potential applications of spider silk showed that the results of the simplified LCA of the production of spider silk based on the up-scaled laboratory process did not show a 1:1 reduction in environmental burden. Two potential starting points were identified for improving the economic assessment of emission values of spider silk production compared to other materials: the use of real operation data of large-scale production as well as the implementation of comparable allocation methods and further assumptions for the compared production processes.