Warum Biokunststoffe nur bedingt „bio“ sind »Kunststoffe in der Umwelt» SciLogs - Wissenschaftsblogs

2021-12-14 18:01:11 By : Ms. Hellen Wyco

Einige Kunststoffe können – unter bestimmten Bedingungen – biologisch abbauen. Deshalb macht ihr Einsatz nur manchmal Sinn und ist keineswegs die Lösung unseres Plastikproblems.

Namen können irreführend sein, das gilt auch für „Biokunststoffe“. Dazu gehören drei verschiedene Arten von Kunststoffen: Kunststoffe, die auf biologischen Materialien wie Stärke basieren und biologisch abbaubar sind, Kunststoffe, die ebenfalls biobasiert sind, aber nicht biologisch abbaubar sind, und Kunststoffe, die biologisch abbaubar sind, aber auf fossilen Materialien wie Erdöl basieren.

Diese Definition stammt aus einem Statuspapier zur biologischen Abbaubarkeit von Kunststoffen, das Forscher des BMBF-Forschungsschwerpunkts Kunststoffe in der Umwelt erstellt haben. Es beschreibt unter anderem, wie der Abbau stattfindet, welche biobasierten Kunststoffe bisher auf dem Markt sind und welches Potenzial sie für eine nachhaltigere Wirtschaft haben.

Wichtige Argumente aus diesem Papier stellen wir in diesem Blog vor, denn sie sind hilfreich für ernsthafte und fundierte Diskussionen über die Bedeutung und den Nutzen von Biokunststoffen. Ein weiterer Begriff spielt eine zentrale Rolle, nämlich „biologische Abbaubarkeit“: Dies bedeutet nicht, dass die Kunststoffe von selbst verderben, sobald sie in der Umwelt entsorgt werden. Es bedeutet auch nicht, dass sie in winzige Teile zerfallen, die mit bloßem Auge nicht mehr zu sehen sind. Letzteres wäre Fragmentierung, dh es entsteht Mikroplastik. Biologischer Abbau bedeutet: Bakterien verstoffwechseln die Polymerketten, aus denen der jeweilige Kunststoff besteht und integrieren die gewonnenen Kohlenstoffatome in ihren eigenen Kreislauf, sodass sie daraus energetischen Nutzen ziehen.

„Die Polymerketten können nicht direkt in der Zelle verstoffwechselt werden, weil sie dafür zu lang sind“, erklärte Professor Marc Kreutzbruck beim Webinar „Plastik in der Umwelt“ zur biologischen Abbaubarkeit, das am 25. November 2021 stattfand. Gemeinsam mit Prof. Christian Bonten, leitet er das Institut für Kunststofftechnik der Universität Stuttgart und ist Mitautor des Statusberichts. Dazu verwendet die Zelle Enzyme, die die Ketten außerhalb der Zelle spalten. Wenn die Polymere klein genug sind, besteht die Möglichkeit, dass ein intrazellulärer Metabolismus stattfindet. Daran können auch mehrere synergetische Bakterienstämme beteiligt sein.

Äußere Einflüsse wie UV-Licht, Temperatur, Feuchtigkeit und mechanische Einwirkungen helfen, Kunststoffe durch Bakterien zu zersetzen. Sie sind in der Regel von entscheidender Bedeutung dafür, ob und wie stark sich Kunststoff wie schnell abbaut. Zum Beispiel eine 30 Mikrometer dicke biologisch abbaubare Folie, wie sie zum Beispiel zum Abdecken von Spargelfeldern verwendet wird: Während bei 60 Grad über 210 Tage rund 90 Prozent des Plastiks abgebaut werden, werden bei 20 Grad und über einen ähnlichen Zeitraum (180 Tage) rund zehn Prozent. 60 Grad werden nur bei der industriellen Kompostierung erreicht, die Folie verrottet im Feld offensichtlich kaum.

Das Beispiel verdeutlicht auch ein grundsätzliches Dilemma bei biologisch abbaubaren Kunststoffen: Was in der Nutzungsphase gewünscht wird, nämlich Belastbarkeit und Stabilität, ist für die Abbauphase ein Hindernis. Die Folie soll den Spargel schützen und wärmen. Wenn es nicht mehr benötigt wird, sollte es so schnell wie möglich demontiert werden. Das kann nicht ohne weiteres funktionieren.

Biokunststoffe haben derzeit einen Anteil von einem Prozent am weltweiten Kunststoffmarkt. Das waren 2,11 Millionen Tonnen im Jahr 2020. Rund 58 Prozent davon sind biologisch abbaubar. Den größten Anteil daran hat Stärke, die meist zu thermoplastischer Stärke (TPS) verarbeitet wird, aber stark Wasser anzieht und spröde ist. Deshalb wird es meist in Mischungen mit anderen Kunststoffen verwendet. An zweiter Stelle steht Polylactid (PLA), das beispielsweise für Einweggeschirr verwendet wird. Es kann nur in der industriellen Kompostierung abgebaut werden und ist recht teuer, so dass es nur begrenzt vermarktbar ist. Neben anderen Kunststoffen wie PBAT und PBS stellte Marc Kreutzbruck im Webinar Polyhydroxyalkanoate (PHA) vor, die aus Mikroorganismen gewonnen werden und sehr leicht biologisch abbaubar sind. PHA ist jedoch steif und thermisch instabil und daher schwer zu verarbeiten. Allerdings arbeiten derzeit verschiedene Projekte an der Verbesserung von PHA, weshalb der Forscher darin den biologisch abbaubaren Kunststoff der Zukunft sieht.

Biobasierte Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie unabhängig von der endlichen Ressource Erdöl sind. Außerdem wird am Ende ihres Lebens, wenn sie verbrannt oder abgebaut werden, nur das CO2 freigesetzt, das die Rohstoffbasis der Biokunststoffe, also Pflanzen, während ihrer Wachstumsphase aufgenommen hat. Dennoch seien biobasierte Kunststoffe nicht immer unbedingt nachhaltiger als konventionelle Kunststoffe, erklärte Julia Resch, wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Marc Kreutzbrucks, im Webinar. Denn der Anbau von Rohstoffen für biobasierte Kunststoffe und deren Herstellung sind oft sehr aufwendig und benötigen teilweise mehr Ressourcen als fossile Kunststoffe. Zudem bestehe die Gefahr, dass sich die Problematik des Litterings mit Biokunststoffen verschärfte, weil Abfälle aus diesem Material offenbar mit „reinem Gewissen“ in die Umwelt gelangen könnten. PLA-Kunststoffe beispielsweise bauen sich in den Ozeanen langsam wie herkömmliche Kunststoffe ab.

Dennoch kann Biokunststoff sinnvoll eingesetzt werden, und zwar immer dann, wenn ein Eintrag nicht zu vermeiden ist, beispielsweise auf Ackerflächen. Folien werden nach Gebrauch eingesammelt, aber aufgrund von Witterungseinflüssen und anderen Faktoren zerfallen selbst herkömmliche Folien im Feld und es ist nicht möglich, alle Rückstände mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu entfernen. Weitere vorteilhafte Einsatzgebiete von biologisch abbaubarem Kunststoff sind Anwendungen, bei denen Bio- und Kunststoffabfälle nicht voneinander getrennt werden können, beispielsweise in Biomüll-Sammelbeuteln, oder wo es kaum jemand macht, wie beispielsweise bei Aufklebern für Bananen und Äpfel.

Besonders im Bereich der Straßenreinigung ist der Einsatz von biologisch abbaubaren Kunststoffen sinnvoll, die sich auch unter Alltagsbedingungen auflösen: Rund 16 Tonnen Borsten werden in Deutschland jährlich in Kehrmaschinen verwendet. Der überwiegende Teil davon, rund 80 Prozent, landet als Abrieb auf der Straße und damit in der Umwelt. Abbaubare Produkte aus Stärke und PLA gibt es hier, berichtet Julia Resch. Allerdings seien solche Alternativen deutlich teurer als Borsten aus konventionellem Material, weshalb es durchaus sinnvoll sein könnte, eine Umrüstung politisch zu unterstützen, erklärte der Wissenschaftler.

Dr. Ulf Stein arbeitet als Senior Fellow für das Ecologic Institut und koordiniert die Aktivitäten im Bereich der Wasserpolitik. Im Moment beschäftigt er sich hauptsächlich mit Plastik in der Umwelt. Er schwimmt gerne in mikroplastikfreien Gewässern und sieht viel Handlungsbedarf auf dem Weg zu einem nachhaltigen Umgang mit Plastik.

Darauf basieren die Stoffkreisläufe in der Natur: Sind die Polymere klein genug, besteht die Möglichkeit, dass ein intrazellulärer Stoffwechsel stattfindet. Wir müssen also Sollbruchstellen in die Kunststoffe bauen und dann dafür sorgen, dass die Bruchstücke verstoffwechselt werden. Das ist die langfristige Lösung.

Wenn das nicht funktioniert, wird die Erde zu einem Müllplaneten.

Sie müssen dem Problem auf den Grund gehen. Die Menschen müssen ihre Ernährung umstellen und ihren Konsum reduzieren. Dann wird die Umwelt weniger belastet. Bitte googeln Sie: Manifest Natura Christiana

Das Beispiel verdeutlicht auch ein grundsätzliches Dilemma bei biologisch abbaubaren Kunststoffen: Was in der Nutzungsphase gewünscht wird, nämlich Belastbarkeit und Stabilität, ist für die Abbauphase ein Hindernis.

Klar. Am besten wäre ein Kunststoff, der sich bei einem Signal zu zersetzen beginnt und ohne dieses Signal stabil bleibt. Unter natürlichen Bedingungen steht dieses Signal beispielsweise in Form von UV-Strahlung zur Verfügung, die den Zusammenbruch in Gang setzt. Ohne UV-Strahlung bleibt der Abbau gering. Aber ich denke mir, dass die heutige Chemie- und Verarbeitungstechnik in der Lage sein sollte, ein künstliches Signal zu liefern. Dies könnte eine Beimischung zum Kunststoff sein, die, wenn sie freigesetzt wird, beginnt, den Kunststoff zu zersetzen. Die Freisetzung könnte über die Alterung des Kunststoffs aktiviert werden. Chemiker als Alchemisten haben so etwas sicher in ihrem Werkzeugkasten (?). Wenn es so etwas gäbe, hätten wir das Plastik mit einem Verfallsdatum. Wäre auch für den Kunden praktisch: Wenn sich die Kunststoffverpackung eines Produktes zu zersetzen beginnt, würde der Kunde sofort wissen und sehen, dass das Verfallsdatum erreicht ist.

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