Biobasierte Superabsorber auf dem Sanitärmarkt

Superabsorbierende Polymere (SAPS) sind die Arbeitskomponenten in Windeln und Damenbinden. Diese Hochleistungschemikalien absorbieren und halten Körperflüssigkeiten wie Blut und Urin bis zum Hundertfachen ihres ursprünglichen Gewichts.

SAPs revolutionierten die Körperpflege, als sie Anfang der 1980er Jahre auf den Markt für Körperpflegeprodukte kamen. Jetzt muss die chemische Industrie eine neue Innovationswelle starten, diesmal mit dem Ziel, die Produktnachhaltigkeit zu verbessern. Wie die meisten Polymere sind SAPs nicht erneuerbar oder biologisch abbaubar, da ihre Grundchemikalien aus Öl gewonnen werden. Da Einweganwendungen weit verbreitet sind, tragen diese nicht erneuerbaren SAPs massiv zur Luft- und Wasserverschmutzung bei. In den USA werden jedes Jahr rund 12 Milliarden Damenbinden entsorgt, während in Großbritannien Windeln 2-3 Prozent des Haushaltsabfalls ausmachen.

In den letzten zwei Jahrzehnten haben Unternehmen versucht, den CO2-Fußabdruck von SAP-Hygieneartikeln durch Effizienzmaßnahmen wie die Verringerung des Produktgewichts zu verringern. Es ist jedoch eine umfassende Umstellung auf biobasierte SAPs erforderlich, um vollständig erneuerbare, biologisch abbaubare und kohlenstoffarme Produkte zu erhalten. Eine Studie aus dem Jahr 2013 in das International Journal of Life Cycle Assessments schlugen vor, dass SAPs in Wegwerfwindeln den größten Teil der gesamten Umweltbelastung des Produkts ausmachen, obwohl Absorptionsmittel nur einen Bruchteil seines Gesamtgewichts ausmachten. Es stellte sich auch heraus, dass Windeln, die aus einer Kombination von petrochemischen und biobasierten Chemikalien hergestellt wurden, Vorteile für die Umwelt mit sich brachten, einschließlich in Bezug auf Humantoxizität, Süßwasser-Eutrophierung und Meeresökotoxizität.

SAPs gehören zu einer Klasse von Materialien, die vernetzte hydrophile Polymere genannt werden. Die gebräuchlichste Basis zur Herstellung dieser Polymere ist Acrylsäure, aber je nach Anwendung werden auch Polyacrylamid, Polyvinylalkohol und Polyethylenoxid verwendet. Unabhängig vom verwendeten spezifischen Polymer ist es die chemische Struktur von SAPs, die ihre einzigartigen Eigenschaften untermauert. Wenn Natrium- oder Kalium-„Vernetzungsmittel“ zu einem Polymer hinzugefügt werden, verbinden sich seine Moleküle zu größeren Ketten, um ein dreidimensionales Gitter zu bilden. Innerhalb des Gitters bilden die Natrium- oder Kalium-Gegenionen einen Raum mit einer viel geringeren Konzentration an Elektrolyten als in der umgebenden Flüssigkeit. Elektrolyte sind alle Substanzen, die Ionen enthalten, einschließlich Blut und Urin. Der Unterschied in der Elektrolytkonzentration zwischen dem SAP und der Zielflüssigkeit ist als osmotischer Gradient bekannt. Dies zieht Blut und Urin in das SAP-Material.

Die Körperpflege ist eine Anwendung, bei der die physikalischen Eigenschaften der aktiven Chemikalien eines Produkts nicht verhandelbar sind. Um den Markt für Absorptionsmittel zu erobern, müssen erneuerbare SAPs in Bezug auf die Leistung die Äquivalente aus fossilen Brennstoffen erreichen oder übertreffen. Abgesehen von einer hohen Absorption muss das biobasierte SAP seine Struktur nach dem Quellen beibehalten, einen geringen löslichen Anteil haben, einen niedrigen Preis haben und bei der Absorption pH-neutral sein. Andere Anforderungen sind, dass es für Hygiene und Komfort geruchlos, farblos und ungiftig sein sollte.

Globale Chemieunternehmen, die bei biobasiertem SAP führend sind

Einige große Chemieunternehmen sind in den letzten Jahren in den Bereich biobasierter SAP eingestiegen. Diese großen Hersteller haben sich darauf konzentriert, pflanzenbasierte Versionen gängiger Basismaterialien für die SAP-Herstellung wie Acrylsäure herzustellen. Eines der etabliertesten Unternehmen, das sich biobasierten SAPs zuwendet, ist die europäische Tochtergesellschaft von Nippon Shokubai, ein langjähriger Spezialist für konventionelle SAP- und petrochemische Acrylsäureherstellung.

Im Jahr 2021 erweiterte Nippon Shokubai Europe seine biobasierte Produktlinie, indem es die Zertifizierung vom ISCC für ein biobasiertes Propylen erhielt, die Substanz, die zur Herstellung von Acrylsäure verwendet wird. Ihr erneuerbares Propylen wird aus Glycerin hergestellt, das üblicherweise aus Pflanzenölen gewonnen wird. Die Umstellung von Nippon Shokubai Europe auf biobasierte Acrylsäure ist Teil der übergreifenden Strategie des Unternehmens, bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen. Es entwickelt nun ein biologisch abbaubares und recycelbares SAP.

Archer Daniels Midland ist ein weiteres globales Unternehmen, das an der Entwicklung von biobasiertem SAP beteiligt ist. In den frühen 2000er Jahren entwickelte und patentierte das Unternehmen ein Verfahren zur Verwendung von Stärke zur Herstellung eines hochwertigen SAP. Im September 2019 gaben LG Chem und Archer Daniels Midlands eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung zur Herstellung einer biobasierten Acrylsäure bekannt, dem führenden Polymerbestandteil in der SAP-Herstellung. Im Rahmen der Vereinbarung liefert das Biotech-Unternehmen AGM biobasierte Komponenten an LG Chem, Teil von LG Chems Ausrichtung auf das Biokunststoffsegment.

Obwohl Windeln und Hygieneartikel die Hauptanwendungen für SAP sind, sind seine Wasserrückhalteeigenschaften auch in der Landwirtschaft nützlich. 2017 indisch Das Agrochemikalienunternehmen UPL erhielt ein Patent für Zeba, ein natürlich gewonnenes, auf Stärke basierendes, vollständig biologisch abbaubares SAP, das als Bodenverbesserer fungieren soll. Zeba erhöht die Wasserhaltekapazität des Bodens, verbessert die Nährstoffnutzungseffizienz im Wurzelbereich der Pflanzen und wirkt sich positiv auf das Bodenmikrobiom aus. Im Jahr 2022 unterzeichnete UPL einen Pakt mit der Shreenath Mkhasoka Sugar Mill, der hofft, mit der Technologie 600 Millionen Liter Wasser und 500 Tonnen Harnstoff einzusparen.

Eine neue Generation von biobasierten SAPs kommt auf den Markt

Die oben genannten Unternehmen haben mit Stärke und Glycerin gearbeitet, aber Start-ups für grüne Chemikalien wenden sich ungewöhnlicheren Rohstoffen für biobasierte Polymere zu, die in SAPs benötigt werden. Diese Rohstoffe und Materialien der zweiten Generation bieten neben der Erneuerbarkeit tendenziell eine bessere biologische Abbaubarkeit des Produkts.

Ecovia Renewables, ein 2014 gegründetes Spin-off der University of Michigan, leistet Pionierarbeit bei der SAP-Fermentation. Im Gegensatz zu den meisten SAPs auf dem Markt wird das erneuerbare Produkt von Ecovia nicht aus einer biobasierten Acrylsäure hergestellt. Das Unternehmen verwendet stattdessen Polyglutaminsäure, eine organische Chemikalie, die natürlicherweise in den Seidenfäden von Natto vorkommt, einem fermentierten Lebensmittel auf Sojabasis, das in Japan beliebt ist. Die Polyglutaminsäure von Ecovia wird unter Verwendung der unternehmenseigenen Suite von nicht-GVO-Mikroben fermentiert. Das aus diesem Material hergestellte SAP hat eine Reihe von Anwendungen. Abgesehen von Hygieneprodukten kann es zur Herstellung von Kühlgelen für Kühlkettenverpackungen und Bodenzusätze zur Wasserspeicherung verwendet werden.

Algen sind ein weiterer SAP-Rohstoff der zweiten Generation, der gerade auf den Markt kommt. Studenten der University of Utah entwickelten 2017 eine Damenbinde mit einem auf Braunalgen basierenden SAP. Das gesamte Produkt bricht innerhalb von Wochen bis Monaten zusammen. Das Produkt von SHERO ist ein gutes Beispiel dafür, wie das Mischen von Biomaterialien die Leistungsfähigkeit von Körperpflegeprodukten verbessern kann. In ihrem Produkt ist das superabsorbierende Innere mit einer abschließenden Außenschicht aus Mais versehen, die Feuchtigkeit im Inneren einschließt und ein Auslaufen verhindert. Die Studenten zielten auf den NGO-Sektor und wollten ein kostengünstiges Produkt, das von Gemeinden in Entwicklungsländern leicht hergestellt werden kann. Die Gruppe plant jedoch, das Produkt in den USA an umweltbewusste Verbraucher zu verkaufen. Die biobasierte Damenbinde von SHERO ist ein seltenes Beispiel für ein stark nachgefragtes Produkt, das gleichermaßen sozialen und ökologischen Zielen dient.

Bambus ist ein weiterer Kandidat für biobasierte SAP-Rohstoffe, der als nachhaltiges Material immer beliebter wird. Die Pflanze wächst so schnell nach, dass kultivierter Bambus auch bei regelmäßiger Ernte nicht viel Potenzial zur Kohlenstoffbindung einbüßt. Im Jahr 2022 brachte Daye eine antibakterielle Binde mit einem nachhaltigen absorbierenden Bambuskern auf den Markt. Es ist unter natürlichen Bedingungen vollständig kompostierbar. Wie das Produkt von SHERO kombiniert das Pad ein biobasiertes SAP mit einem Material auf Maisbasis, um die nicht recycelbaren Kunststoffkörper zu ersetzen, aus denen herkömmliche Hygieneartikel bestehen.

Viele weitere biologische Substanzen können in SAPs umgewandelt werden. Forscher von Advanced Sustainable Systems berichteten, dass superabsorbierende Partikel aus Weizenglutenprotein in der Lage sind, in Wasser um 4000 % und in Kochsalzlösung um 60 % zu quellen, was eine zehnfache Leistungssteigerung im Vergleich zu bestehenden Materialien auf Glutenbasis bedeutet. Es hält bis zu 80 Prozent des absorbierten Wassers zurück, mehr als kommerzielle SAPs auf fossiler Basis.

Der Durchbruch bei skaliertem Chitosan und zellulosebasierten SAPs wäre ein großer Gewinn für die biobasierte Industrie. Chitosan kommt in Schalenabfällen der Fischindustrie vor und Zellulose ist die am häufigsten vorkommende organische Verbindung in der Natur. Das Indian Institute of Technology in Madras hat bereits einen biologisch abbaubaren SAP unter Verwendung von Chitosan aus Meeresfrüchteabfällen und Zitronensäure demonstriert.[1] Im Jahr 2022 erweiterten indische Forscher die Möglichkeiten für biobasiertes SAP erneut, indem sie ein superabsorbierendes vernetztes Hydrogel unter Verwendung von Zellulose aus Wasserhyazinthe schufen.

Der Markt

SAPS sind eine der wichtigsten Klassen von Konsumchemikalien und bilden die Grundlage für die globale Körperpflegeindustrie. Als solche bieten sie eine enorme kommerzielle Chance für Biounternehmen. Im Jahr 2020 kamen 2,8 Millionen Tonnen SAPs (sowohl biobasierte als auch petrochemische) auf den Markt, wobei die USA und China 45 Prozent des weltweiten Umsatzes mit dem Produkt ausmachten. Bis 2023 soll die Gesamtproduktion auf über 3,1 Millionen steigen. Der Markt für biologisch abbaubare SAPs wird zwischen 2022 und 2030 voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8 Prozent wachsen.

Die Marktaussichten für biobasierte Körperpflege sind günstig. Die Verbraucher reagieren zunehmend sensibel auf die Umweltauswirkungen von Körperpflegeprodukten, während der breitere Markt für biobasierte Polymere ebenfalls einen Aufwärtstrend verzeichnet. Im Jahr 2020 lag die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate für biobasierte Polymere zum ersten Mal seit Jahren bei 8 Prozent und damit rund vier Prozentpunkte über dem Gesamtwachstum für Polymere.

Biobasierte SAP-Innovatoren und -Lieferanten können von den Nachhaltigkeitsambitionen größerer Chemie- und Körperpflegeunternehmen profitieren. Da große Akteure auf dem SAP-Markt wie Nippon Shokubai und LG Chemicals bereits auf biobasierte Alternativen zusteuern, sollten Biounternehmen andere führende Chemieunternehmen beobachten, die den Körperpflegemarkt beliefern, darunter BASF SE, Evonik Industries, Sumitomo Seika Chemicals und Sanyo .

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