Konzept

Zu Beginn des Projektes haben wir uns die Frage gestellt, welche Bedingungen erfüllt werden müssen, um die bestmöglichen Wachstumsbedingungen für unseren Pilz zu gewährleisten. Nach einer kurzen Recherchephase hat sich gezeigt das Pilze nicht nur eine dunkle Umgebung bevorzugen, sondern auch regelmäßig gewässert oder befeuchtet werden müssen, außerdem sollte die Luftfeuchtigkeit nie unter 70% Sinken.

Daher haben wir uns bei der Materialforschung darauf fokussierter, ein möglichst wasserresistentes Bioplastik zu erzeugen.

Durch die erhöhte Wasserresistenz wollten wir zusätzlich erreichen, dass unser Behältnis für den Pilz mehreren Pilzwachstumszyklen standhalten kann, ohne sich frühzeitig aufzulösen.

Die wasserresistenten Eigenschaften unseres Bioplastiks können natürlich noch in vielen anderen Bereichen Verwendung finden, wie zum Beispiel bei:

-Outdoor Anwendungen

-Behälter in Gewächshäusern

-Badezimmer oder Umgebungen mit hoher Luftfeuchtikeit

-...

Inspirationen

Als Erstes haben wir uns für den Entwurf auf die Suche nach einer außergewöhnlichen Form begeben. Natürlich haben wir damit angefangen, erst alle möglichen Formen durchzugehen: Wir haben uns runde und eckige Grundflächen vorgestellt, konische, zylindrische, abgerundete Silhouetten. Die gewöhnlichsten davon haben wir sofort für unseren Entwurf ausgeschlossen.

Die Natur kennt keine Maße oder ästhetischen Ideale. Das tun auch die Pilze nicht, die später in unserem Gefäß wachsen sollen. Was läge also näher, als sich genau daran ein Beispiel zu nehmen?

Entwürfe

Mithilfe des Programms Grasshopper habe ich einen generativen Algorithmus entwickelt, um differential growth also ein differenzielles Wachstum, simulieren zu können. Differenzielles Wachstum beschreibt die Wachstumsform, die man bei Pilzen, vielen Pflanzen und Tieren beobachten kann. Dabei teilen sich die Zellen eines Organismus unterschiedlich schnell, was ihn unförmig und ungleichmäßig wachsen lässt. Typisch sind wellige Konturen und Kanten, die nie gerade sind, sondern fast schon ein Muster darstellen.

Finaler Entwurf

Modelle

Materialexperimente

Versuchsreihe_1: Chitosan

Für unsere erste Versuchsreihe haben wir uns entschieden mit Chitosan als Additiv zu arbeiten.

Chitosan ist ein natürlich vorkommendes Biopolymer welches aus Chitin gewonnen wird. Als Hauptquelle zur Herstellung werden die Schalen von Krabben und Garnelen verwendet.

Das Pulver besitzt hydrophobe Eigenschaften und ist nicht in Wasser löslich - erst wenn das Wasser einen pH-Wert >6,4 hat, löst sich Chitosan langsam auf . Aus diesem Grund mussten wir das Chitosan separat in einem vorgegebenen Mengenverhältnis mit destillierten Wasser und 100%tiger Essigsäure anrühren.

1. Experiment

Bei unserem ersten Experiment mit Chitosan haben wir 10g von dem Chitosanpulver schrittweise in eine Mischung aus 76g destillierten Wasser und 4g 100% Essigsäure gegeben. Mit Hilfe einer Wärmeplatte konnten wir die Temperatur konstant bei 60 Grad halten weil sich so das Chitosan besser aufgelöst hat. Nach ca. einer Stunde erhielten wir eine zähflüssige, bernsteinfarbene Masse die wir dann dem noch flüssigen Grundrezept im Thermomix hinzugegeben haben.

Trotz erhöhter Wärmezufuhr von 90 Grad konnten wir auch nach 20min keine homogene Masse herstellen und haben festgestellt, dass sich im Thermomix ein Teil der Masse unten abgesetzt hat.

Daraufhin haben wir mit der teigigen Masse weitergearbeitet, die sich unten im Thermomix separiert hatte und diese im Fleischwolf zu Stangen verarbeitet.

Nachdem wir unser Material im Ofen bei 105 Grad für mehrere Stunden getrocknet haben konnten wir feststellen, dass dieses Material sehr viel heller ist als unsere weiteren Versuche mit Chitosan. Dadurch sind wir zu der Annahme gekommen, dass sich die Chitosanmischung nur teilweise mit dem Grundrezept verbunden hat.

Das getrocknete Material ist zudem auch sehr trocken und lässt sich sehr leicht auseinander brechen.

Rezeptur:

100g  Wasser

75g    Glycerol

200g  Maisstärke

25g    weißer Essig

30g    Chitosanmischung

2.Experiment

In unserem nächsten Versuch haben wir zunächst das Chitosan, genau wie im 1.Experiment, mit destillierten Wasser und Essigsäure angerührt. Anstelle die Chitosanmischung dem Grundrezept im Thermomix hinzuzufügen, haben wir uns dazu entschieden zuerst die teigige Masse des Grundrezeptes anzumischen und danach die Chitosanmischung per Hand unterzukneten.

Diese Vorgehensweise lies sich sehr gut umsetzten und so entstand eine leicht gelbe, homogene Masse die wir dann im Fleischwolf zu Stangen weiter verarbeiten konnten.

Nach dem Trocknen haben wir festgestellt, dass dieses Material, im Vergleich zu dem Material aus unserem ersten Chitosanversuch, elastischer war und dadurch war die Herstellung der Pallets zeitaufwendiger da wir mit Hilfe von Scheren und Messern arbeiten mussten.

Mit den hergestellten Pallets haben wir zunächst einen Probedruck am kleinen Extruder durchgeführt welcher gut funktionierte und wir erhielten ein elastisches und bernsteinfarbenes Ergebnis. Daraufhin haben wir einen Probedruck am großen Extruder durchgeführt und festgestellt, dass das erhaltene Material eine sehr raue Oberfläche und eine dunkle Farbe besitzt. Aber auch dieses Material war elastisch.

Rezeptur:

50g      Wasser

37.5g   Glycerol

100g    Maisstärke

25g      weißer Essig

30g      Chitosanmischung

3. Experiment

Bei unserem dritten Experiment mit Chitosan sind wir genauso vorgegangen wie bei dem Vorherigen. Die Menge der Chitosanmischung haben wir diesmal erhöht und anschließend wieder dem Grundrezept untergeknetet. Anschließend wurde der Teig wieder zu Stangen verarbeitet und in den Ofen zum trocknen gepackt.

Während des Trocknungsvorgangs veränderte sich die Materialität der Stangen in ein bernsteinfarbenes und festes Material welches wir zu Pellets verarbeiteten und im Anschluss erfolgreich einen Probedruck am kleinen Extruder vornehmen konnten.

Rezeptur:

50g     Wasser

37.5g  Glycerol

100g   Maisstärke

25g     weißer Essig

60g     Chitosanmischung

4. Experiment

Nach dem Ergebnis unseres ersten Wassertests (siehe unter Wassertest_1) haben wir uns dazu entschieden mit Chitosan als Additiv weiterzuarbeiten. Wir haben überlegt ob es nicht eine andere Art und Weise gibt das Chitosanpulver dem Grundrezept beizugeben ohne das es vorher separat angerührt werden muss.

Dafür haben wir die Zutaten für das Grundrezept in den Thermomix gegeben und gut vermengen lassen. Nachdem wir schrittweise die Temperatur erhöhten, haben wir das Chitosanpulver direkt bei 60 Grad mit in den Thermomix gegeben. Nach wenigen Sekunde kam es sofort zu einer Reaktion und nach ca. einer halben Minute wurde die eben noch flüssige Masse zu einem Teig.

Während der Weiterverarbeitung ist uns aufgefallen, dass das Material vergleichsweise sehr trocken war. Diese Beobachtung hat sich nach dem Trocknen im Ofen zusätzlich bestätigt. Das Material war sehr brüchig und ließ sich mit geringer Kraft zerkleinern.

Rezeptur:

75g       Wasser

150g     Maisstärke

56,25g  Glycerol

37,5g     Essig

30g        Chitosanpulver

5. Experiment

Wie oben bereits erwähnt ist Chitosan nicht wasserlöslich und löst sich erst durch Zufuhr von Säure auf. Aus diesem Grund haben wir uns für dieses Experiment überlegt das Chitosanpulver einmal in weißem Essig anzurühren. Im Vergleich zu unseren vorherigen Experimenten konnte sich das Chitosan sehr viel schneller auflösen und nach ca. 20 min erhielten wir auch eine sehr zähflüssige und bernsteinfarbene Masse die dann dem Grundrezept untergeknetet wurde.

Mit den hergestellten Pellets war ebenfalls ein erster Probedruck am kleinem Extruder möglich.

Rezeptur:

75g   Wasser

150g Maisstärke

56,25g Glycerol

37,5g Essig

10g Chitosan mit 25g Essig angerührt

6. Experiment

Nachdem wir durch den zweiten Wassertest die Vermutung aufgestellt haben, dass das Chitosan bei einer Temperatur von 200 Grad anfängt zu verbrennen und somit keine wasserabweisenden Eigenschaften mehr besitzt haben wir uns überlegt wie wir unser Material bei geringeren Temperaturen drucken können.

Dazu haben wir uns bei den anderen Gruppen informiert und Team Farbe konnte uns bestätigen, dass sie bei der Verwendung von Reisstärke unter 200 Grad drucken konnten. Aus diesem Grund entschieden wir uns dazu bei unserem 6. Experiment die Maisstärke durch Reisstärke zu ersetzen. Das Chitosanpulver haben wir erneut nur mit Essig angerührt und in den Teig eingeknetet. 

Während des Trocknungsprozesses  verbrannte unser Material leider etwas, da der Ofen zu heiß eingestellt war. Das Ergebnis von diesem Experiment ist ein sehr trockenes, innen hohles und dunkles Material, welches sich auch am kleinen Extruder drucken lies. Dennoch entschieden wir uns dagegen weiter mit Reisstärke zu arbeiten. Zum einen konnten wir keine Rückschlüsse der Materialeigenschaften vor und nach dem Druck mehr ziehen, da die Pellets bereits vor dem Extrudieren verbrannt waren und zum anderen fehlte uns die Zeit um mehr Experimente damit durchzuführen.

Rezeptur:

75g      Wasser 

130g    Reisstärke 

56,25g Glycerol

37,5g    Essig

10g Chitosan mit 35g Essig angerührt

7. Experiment

Durch die Ergebnisse der Wassertests haben wir das Rezept für unser letztes Experiment, vor dem finalen Druck, an das dritte Experiment mit Chitosan angelehnt. Allerdings haben wir hier den Glycerolanteil erhöht, da wir uns dadurch ein zäheres Material erhofft haben, welches sich bei niedrigeren Temperaturen drucken lässt. Das Chitosanpulver haben wir in diesem Experiment erneut mit destillierten Wasser und 100%tiger Essigsäure angerührt - um nicht zu viele Komponenten, im Vergleich zum dritten Experiment, zu verändern. 

Ein letzter Probedruck aus dem großen Extruder gab uns die Bestätigung, dass dieses Material gut für den Druck geeignet ist. Somit entschieden wir uns, die Rezeptur aus Experiment sieben für unseren finalen Prototypen zu verwenden.

Rezeptur:

75g     Wasser

150g   Maisstärke

70g     Glycerol 

37,5g  Essig

15g Chitosanpulver, angerührt mit 114g Wasser und 6g Essigsäure

Versuchsreihe_2: Hanfsamen

Des Weiteren experimentieren wir mit Hanfsamen als ein weiteres Additiv, da diese einen hohen Ölanteil besitzen, haben wir uns dadurch eine hydrophobe Wirkung für unser Material erhofft.

1. Experiment

Zunächst haben wir die Hanfsamen in einer Kaffeemühle geschrotet und dann im Ofen bei 70 Grad getrocknet, um mögliche Bakterien abzutöten. Anschließend haben wir die Grundzutaten angerührt bis eine homogene Flüssigkeit entstanden ist, zu welcher wir die Hanfsamen hinzugaben und alles gut miteinander im Thermomix vermengen ließen.

Nach erhöhter Temperaturzufuhr entstand nach ca. 10 min eine grüne, teigige Masse, in welcher jedoch noch einzelne Hanfsamenstücke mit dem bloßen Auge zu erkennen waren.

Im Anschluss haben wir unser Material mithilfe eines Fleischwolfes zu dünnen Stangen verarbeitet. Diesen Prozessschritt konnten wir gut durchführen da dieses Material nicht klebrig war, wie vergleichsweise das Material aus unseren Chitosanexperimenten.

Nachfolgend ließen wir die Stangen für mehrere Stunden im Ofen bei 105 Grad trocknen. Das Material war leicht zu zerbrechen, wodurch es sich gut zu Pellets weiterverarbeiten ließ. Die Pellets wurden im Anschluss im kleinen Extruder verhältnismäßig langsam, aber erfolgreich gedruckt.

Rezeptur:

100g destilliertes Wasser

75g Glycerol

200g Maisstärke

25g Essig

50g Hanfsamen

Versuchsreihe_3: Bienenwachs

In unserer dritten Versuchsreihe haben wir mit Bienenwachs als Additiv experimentiert. Wir haben uns für das Bienenwachs entschieden, da es wasserabweisende Eigenschaften besitzt und unter anderem aus Fettsäuren besteht, wodurch das Bienenwachs nicht in Wasser löslich ist.

1. Experiment

Während wir das Grundrezept im Thermomix anrührten, haben wir das Bienenwachs in einem Wasserbad separat geschmolzen. Als das Bienenwachs flüssig war haben wir dieses, dem noch wässrigen Grundrezept im Thermomix hinzugegeben.

Nachdem wir die Temperatur schrittweise erhöhten bildete sich nach ca. 12 min eine homogene, teigige Masse welche einen leicht beigen Farbton aufwies.

Daraufhin haben wir das Material ebenfalls mithilfe eines Fleischwolfes zu dünnen Stangen verformt. Die Masse lies sich gut verarbeiten, da die Stangen nicht an sich selber kleben blieben und wir sie dadurch sehr gut separieren konnten.

Die Stangen haben wir anschließend in den Ofen bei 105 Grad gelegt um sie zu trocknen. Nach wenigen Minuten ist uns jedoch aufgefallen, dass das Bienenwachs aus dem Material wieder heraus schmilzt. Die Schmelztemperatur von Bienenwachsen liegt bei ungefähr 60 Grad. Aus diesem Grund haben wir unser Material schrittweise in einem kleineren Ofen bei 50 Grad trocknen lassen. 

Unser getrocknetes Material verarbeiteten wir im nächsten Schritt weiter zu Pellets und führten damit einen Drucktest am kleinen Extruder durch.

Trotz der hohen Temperaturen, ließen sich die Pellets gut extrudieren. Im Vergleich zum Material mit Hanfsamenanteil, konnten unsere Bienenwachspellets schneller gedruckt werden.

Rezeptur:

75g Wasser

150g Maisstärke

56,25g Glycerol

37,5g Essig

32,8g Bienenwachs

Wassertest_1

Um die Wasserbeständigkeit unseres Materials zu prüfen, haben wir mit unseren ersten Pellets einen Wassertest durchgeführt. Dazu haben wir jeweils aus unseren Versuchsreihen mit Hanfsamen, Bienenwachs und Chitosan (3. Experiment) ein Pellet entnommen, diese in Petrischalen gelegt und im Anschluss mit Wasser bedeckt. Um einen Vergleich zum Grundrezept zu ziehen, legten wir ebenfalls ein Pellet ohne weiteres Additiv in eine mit Wasser gefüllte Schale. 

Zu Beginn minütlich, im Anschluss stündlich beobachteten wir die Veränderung der Materialität der Pellets.

Ergebnis:

Die Hanfsamen-Pellets lösten sich bereits nach wenigen Minuten in dem Wasser auf. Die Pellets mit Bienenwachsanteil begannen nach einer Stunde sich Stück für Stück zu zersetzten. Nach zwei Stunden löste sich die Materialität des Grundrezeptes ebenfalls auf und es ließ sich recht einfach zerdrücken. Das Chitosan-Pellet überdauerte unsere 20 Stunden Aufzeichnung, weshalb wir uns dazu entschieden weiter mit Chitosan zu experimentieren.

Wassertest_2

Einen zweiten Wassertest führten wir mit unseren Probedrucken aus dem kleinen Extruder durch. Hier war es uns wichtig zu beobachten, wie sich das Material und seine Eigenschaften verändern, nachdem die Pellets extrudiert wurden, um eventuelle Rückschlüsse ziehen zu können. Auch hier zeigt das Ergebnis, dass das extrahierte Material mit Chitosan-Anteil sich am langsamsten von allen Versuchsreihen zersetzt. Interessant zu beobachten war, dass jedes Material eine Art Schleimfilm bildete bevor es sich zersetzte. Die Versuchsreihen mit Chitosan zersetzen sich gegen unsere erhoffte Vorstellung dennoch schnell im Vergleich zum Pellet-Wassertest_1. 

Aus den Beobachtungen heraus stellten wir die Vermutung auf, dass Chitosan keine hohe Hitzebeständigkeit besitzt, daher beim Druckvorgang mit 200°C verbrennt und somit seine Wasserabweisende Eigenschaft verliert.

Wassertest_3

Wie bereits in Wassertest_1 erwähnt, lag unser Fokus auf Chitosan als hydrophobe Komponente. Hiermit wurden weitere Experimente durchgeführt und ein paar von ihnen ließen wir mit dem großen Extruder drucken. Das extrudierte Material, welches nun einen dickeren Durchmesser besaß, haben wir im Anschluss ebenfalls in einem Wassertest auf deren Hydrophobie untersucht.

Wie in Wassertest_2 zu beobachten, bildete sich auch hier nach wenigen Minuten ein Schleimfilm um das extrudierte Material. Besonders auffällig waren kleine Luftblasen an Experiment 5(V5) zu beobachten, wovon wir uns Anfangs eine höhere hydrophobe Wirkung erhofften.

Unser Experiment 4 (V4), saugte sich als erstes mit Wasser voll, und löste sich Stück für Stück darin auf. Nach 24h Beobachtungszeit, erwies sich Experiment 3 (V3), erneut als hydrophobstes Material.

Finales Material

Unser finales Material basiert auf dem 7. Chitosan-Experiment. Nach einigen Abänderungen in der Rezeptur, Probedrucken und Wassertests, erfüllte unsere letzte Rezeptur die meisten unserer Bedingungen und erwies sich somit am geeignetsten.

Bedingungen: 

- glatter, nicht klebriger Teig, welcher sich gut zu Pellets verarbeiten lässt

- gut druckbar

- verhältnismäßig lange Wasserresistent

Da wir eine sehr viel größere Menge an Material für den finalen Druck benötigten, haben wir unsere Rezeptur vervierfacht. Das Chitosan, welches wir vorher separat angerührt hatten, wollten wir dem Grundrezept unterkneten. Dabei hatten wir aber Schwierigkeiten weil der Teig irgendwann nicht mehr Chitosan aufnehmen konnte und immer klebriger wurde bis man diesen nicht weiter hätte verarbeiten können. Prozentual haben wir die gleiche Menge an Chitosan mit unterkneten wollen, aber hochgerechnet auf eine größere Masse war uns dies nicht möglich. Deswegen können wir nicht genau bestimmen wie viel Chitosan in unserem finalen Material tatsächlich enthalten ist. Schätzungsweise haben wir 2/3 der angerührten Chitosan-Masse untergeknetet.

Finales Rezept:

Chitosan Mischung: -eins bis zwei Stunden anrühren-

60g Chitosanpulver

456g Wasser

24g Essigsäure (100%)

( ! Die hier angegebene Menge ist die Menge, welche wir angerührt haben, aber nur 2/3 davon wurde untergeknetet.)

Teig (Rezept_7 x 4):

300g Wasser

600g Maisstärke

280g Glycerol

150g Essig

- Teig und Chitosan-Mischung gut verkneten

Druckprozess

Der gedruckte Prototyp

Probleme

Während unserer Forschung mit dem Chitosan sind wir natürlich auch auf einige Probleme gestoßen, welche man in der Zukunft noch lösen muss. Das größte Problem ist unserer Vermutung nach, dass das Chitosan schon bei einer Temperatur von 200-210° anfängt zu verbrennen, weshalb die Wasserresistenz nach dem Druck deutlich nachlässt. Außerdem riecht der Behälter dadurch leicht verbrannt. Idealerweise müsste man ein Grundrezept für das Bioplastik finden, welches bei niedrigeren Temperaturen schmilzt und während des Drucks dennoch gut verklebt.

Abgesehen davon, dass das Anrühren von Chitosan relativ viel Zeit in Anspruch nimmt, bilden sich durch das Umrühren des Chitosans viele Luftblasen in der Mixtur, welche man dann auch später in den Bioplastik Rohling einarbeitet. Besser wäre es vermutlich, das Chitosan nach dem Anrühren nochmal in eine Vakuumkammer zu stellen, um die Luftblasen und das Chitosan zu trennen.

Ausblick

Unser Prototyp findet seine Anwendung als Pflanztopf für das Myzel. Mit seiner spannend organischen Form ist der Trägerfuß ein Hingucker in jeder Küche, im Garten oder auf dem Balkon. 

Voraussetzung für ein gutes Wachstum der Pilze, ist ein schattiges Plätzchen an welchem wenig bis kein direktes Sonnenlicht einfällt. Das Myzel sollte stets feucht gehalten, aber nicht überschwemmt werden.