Klebstoffe basieren fast immer auf fossilen Rohstoffen wie Erdöl. Forscher am Fraunhofer haben kürzlich ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Keratin für diesen Zweck zu nutzen. Diese äußerst vielseitige Proteinverbindung kommt beispielsweise in Hühnerfedern vor. Damit lassen sich nicht nur verschiedenste Klebstoffe für unterschiedliche Anwendungen herstellen, sondern die Prozesse und Endprodukte sind auch nachhaltig und folgen den Grundprinzipien einer bioinspirierten Kreislaufwirtschaft. Das gemeinsam mit der Henkel AG & Co. KGaA entwickelte Projekt adressiert einen Milliardenmarkt.
Klebstoffe finden sich fast überall: in Sportschuhen, Smartphones, Bodenbelägen, Möbeln, Textilien oder Verpackungen. Sogar Autowindschutzscheiben werden mit Klebstoffen festgeklebt. Experten kennen mehr als 1.000 verschiedene Klebstoffarten. Diese können nahezu jedes erdenkliche Material miteinander verbinden. Klebstoffe wiegen sehr wenig und eignen sich daher für Leichtbaukonstruktionen. Mit Klebstoff verklebte Flächen verziehen sich nicht, da die Belastung anders als bei Schraubverbindungen gleichmäßig verteilt wird. Klebstoffe rosten nicht und dichten Feuchtigkeit ab. Mit Klebstoff verklebte Flächen sind außerdem weniger anfällig für Vibrationen. Zudem sind Klebstoffe kostengünstig und relativ einfach zu verarbeiten.
Federn aus der Geflügelfleischproduktion
Traditionell werden Klebstoffe fast immer aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl hergestellt. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat kürzlich einen anderen Ansatz gewählt. Dort verwenden Forscher statt Erdöl Federn als Grundmaterial. Federn sind ein Nebenprodukt der Geflügelfleischproduktion. Sie werden vernichtet oder dem Tierfutter beigemischt. Doch Federn sind viel zu wertvoll, um sie wegzuwerfen, denn sie enthalten das Strukturprotein Keratin. Dieses Biopolymer kommt in Tieren vor und besteht aus Krallen, Krallen, Hufen oder Federn. Seine Faserstruktur ist extrem stark.
Warum sich Keratin perfekt für die Herstellung von Klebstoffen eignet
Keratin ist ein biologisch abbaubares und damit umweltfreundliches Material, dessen Struktur bestimmte Eigenschaften aufweist, die es besonders für die Herstellung von Klebstoffen geeignet machen. Keratins Polymerstruktur, also seine sehr langkettigen Moleküle, sowie seine Fähigkeit zu Vernetzungsreaktionen prädestinieren es für die Herstellung verschiedener Klebstoffe. „Die für Klebstoffe erforderlichen Eigenschaften sind zum Teil bereits im Grundmaterial verankert und müssen nur noch erschlossen, verändert und aktiviert werden“, erklärt Projektleiter Dr. Michael Richter.
Chemische Plattform- und Spezialklebstoffe
Seit drei Jahren arbeitet das Fraunhofer IGB gemeinsam mit der Henkel AG & Co. KGaA am Projekt KERAbond: „Spezialchemikalien aus maßgeschneiderten funktionellen Keratinproteinen“ – Keratin ist die Abkürzung für Keratin, kombiniert mit dem englischen Wort „bond“. Henkel ist Weltmarktführer im Klebstoffbereich.
Die Projektpartner haben kürzlich ein neues Verfahren entwickelt und verfeinert. Im ersten Schritt werden die vom Schlachthof erhaltenen Federn sterilisiert, gewaschen und mechanisch zerkleinert. Anschließend spaltet ein Enzymprozess die langkettigen Biopolymere bzw. Proteinketten durch Hydrolyse in kurzkettige Polymere auf.
Das Ausgangsprodukt ist eine Plattformchemikalie, die als Basismaterial für die Weiterentwicklung speziell formulierter Klebstoffe dienen kann. „Wir nutzen den Prozess und die Plattformchemikalie als „Werkzeugkasten“, um bioverstärkte Eigenschaften in das Endprodukt zu integrieren“, sagt Richter. Damit lassen sich für den gewünschten Spezialklebstoff Parameter wie Aushärtezeit, Elastizität, thermische Eigenschaften oder Festigkeit festlegen. Darüber hinaus lassen sich nicht nur Klebstoffe einfach herstellen, sondern auch verwandte Stoffe wie Härter, Beschichtungen oder Grundierungen.
Im nächsten Schritt machte sich das Fraunhofer-Team daran, die Federn im großen Maßstab umzuwandeln. Der Hochlauf des Verfahrens oblag dem Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnologische Prozesse CBP in Leuna. Ziel war der Nachweis, dass die keratinbasierten Plattformchemikalien auch im industriellen Maßstab kostengünstig hergestellt werden können. Dabei wurden mehrere Kilogramm Hühnerfedern verarbeitet und das dabei gewonnene Material für vielversprechende erste Materialversuche am Fraunhofer IGB und bei Henkel genutzt.
Grundlagen einer bioinspirierten Wirtschaft
Dieser bioinspirierte Prozess ist für die Fraunhofer-Gesellschaft von besonderer Bedeutung. Das liegt nicht nur daran, dass es sich um biologisch abbaubare Rohstoffe oder besonders effiziente Herstellungsverfahren handelt. Tatsächlich ist die Biotechnologie eines der Hauptforschungsgebiete der Fraunhofer-Gesellschaft. Richter erklärt das zugrunde liegende Konzept: „Wir lassen uns von Funktionalitäten oder Eigenschaften inspirieren, die in der Natur oder in natürlichen Rohstoffen bereits vorhanden sind. Und wir versuchen, diese Eigenschaften durch innovative Herstellungsmethoden in Produkte zu übersetzen. Dadurch entsteht ein bioinspirierter Kreislauf für wertvolle Rohstoffe.“ „
Das Fraunhofer IGB ist seit einigen Jahren in allen Aspekten der Bioökonomie aktiv und hat beispielsweise beim Thema Keratin exklusive Expertise aufgebaut. Deshalb wandte sich der Chemiekonzern Henkel für dieses Projekt an das Fraunhofer IGB.
Das Projekt hat ein gewisses wirtschaftliches Gewicht. Laut Statista wurden im Jahr 2019 allein in Deutschland rund eine Million Tonnen Klebstoffe hergestellt. Der Gesamtwert beträgt rund 1,87 Milliarden Euro.
Und auch der wissenschaftliche Output stimmt: Das neue Verfahren wurde zum Patent angemeldet und ein Artikel in einer Fachzeitschrift veröffentlicht. Zwei Ph.D. Studierende, die bei Henkel und Fraunhofer umfassend an dem Projekt geforscht haben, werden ihre Abschlussarbeiten voraussichtlich im ersten Quartal 2024 abschließen. Mit dieser neuen Keratin-basierten Technologie können zahlreiche Plattformchemikalien auf nachhaltige, bioinspirierte Weise hergestellt werden.