title: Rekombinante Spinnenseide als nachhaltiges Biomaterial : Prozessanalyse und Bewertung anhand eines bio-inspirierten Staubbeutels
Creators: name: Lauterbach, Anja Yvonne
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2021
Subjects: subject: Spinnenseide
subject: rekombinant
subject: Ökobilanzierung
subject: Prozessanalyse
subject: bioinspirierte Materialien
subject: ökobilanzielle Betrachtung
subject: vereinfachte Ökobilanz
subject: 500

description: 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.