Die Wahrheit über Biokunststoffe

14. Dezember 2017

von Renee Cho, Earth Institute, Columbia University

Biokunststoffe werden oft als umweltfreundlich angepriesen, aber werden sie dem Hype gerecht?

Die Welt hat seit den 1950er Jahren über neun Milliarden Tonnen Plastik produziert. 165 Millionen Tonnen davon haben unsere Ozeane verwüstet, und jedes Jahr gelangen fast 9 Millionen Tonnen mehr in die Ozeane. Da nur etwa 9 Prozent des Kunststoffs recycelt werden, verschmutzt ein Großteil des Rests die Umwelt oder landet auf Mülldeponien, wo es bis zu 500 Jahre dauern kann, bis er sich zersetzt, während giftige Chemikalien in den Boden gelangen.

Herkömmlicher Kunststoff wird aus erdölbasierten Rohstoffen hergestellt. Manche sagen, Biokunststoffe – die zu 20 Prozent oder mehr aus erneuerbaren Materialien bestehen – könnten die Lösung für die Plastikverschmutzung sein. Die oft genannten Vorteile von Biokunststoff sind der geringere Verbrauch fossiler Brennstoffe, ein kleinerer CO2-Fußabdruck und eine schnellere Zersetzung. Biokunststoff ist außerdem weniger giftig und enthält kein Bisphenol A (BPA), einen Hormonstörer, der häufig in herkömmlichen Kunststoffen vorkommt.

Kartik Chandran, Professor am Fachbereich Erd- und Umwelttechnik der Columbia University, der sich mit Biokunststoffen beschäftigt, glaubt, dass „Biokunststoffe im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen eine erhebliche Verbesserung darstellen“.

Allerdings stellt sich heraus, dass Biokunststoffe noch nicht die Lösung unseres Plastikproblems sind.

Da beim Thema Biokunststoffe oft Verwirrung herrscht, klären wir zunächst einige Begriffe.

Biokunststoffe werden derzeit in Einwegartikeln wie Verpackungen, Behältern, Strohhalmen, Tüten und Flaschen sowie in Einwegteppichen, Kunststoffrohren, Telefongehäusen, 3D-Druckern, Autoisolierungen und medizinischen Implantaten verwendet. Der weltweite Markt für Biokunststoffe soll von 17 Milliarden US-Dollar in diesem Jahr auf fast 44 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 wachsen.

Es gibt zwei Hauptarten von Biokunststoffen.

PLA (Polymilchsäure) wird typischerweise aus den Zuckern in Maisstärke, Maniok oder Zuckerrohr hergestellt. Es ist biologisch abbaubar, CO2-neutral und essbar. Um Mais in Kunststoff umzuwandeln, werden Maiskörner in Schwefeldioxid und heißes Wasser getaucht, wo ihre Bestandteile in Stärke, Protein und Ballaststoffe zerfallen. Anschließend werden die Körner gemahlen und das Maisöl von der Stärke getrennt. Die Stärke besteht aus langen Ketten von Kohlenstoffmolekülen, ähnlich den Kohlenstoffketten in Kunststoffen aus fossilen Brennstoffen. Einige Zitronensäuren werden eingemischt, um ein langkettiges Polymer (ein großes Molekül, das aus sich wiederholenden kleineren Einheiten besteht) zu bilden, das den Baustein für Kunststoff darstellt. PLA kann wie Polyethylen (verwendet in Kunststofffolien, Verpackungen und Flaschen), Polystyrol (Styropor und Kunststoffbesteck) oder Polypropylen (Verpackungen, Autoteile, Textilien) aussehen und sich so verhalten. NatureWorks mit Sitz in Minnesota ist eines der größten Unternehmen, das PLA unter dem Markennamen Ingeo herstellt.

PHA (Polyhydroxyalkanoat) wird von manchmal gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt, die Kunststoff aus organischen Materialien herstellen. Den Mikroben werden Nährstoffe wie Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor entzogen, dafür aber ein hoher Kohlenstoffgehalt. Sie produzieren PHA als Kohlenstoffreserven, die sie in Körnern speichern, bis sie mehr von den anderen Nährstoffen haben, die sie zum Wachsen und zur Fortpflanzung benötigen. Unternehmen können dann das von Mikroben hergestellte PHA ernten, dessen chemische Struktur der von herkömmlichen Kunststoffen ähnelt. Da es biologisch abbaubar ist und lebendes Gewebe nicht schädigt, wird PHA häufig für medizinische Anwendungen wie Nähte, Schlingen, Knochenplatten und Hautersatz verwendet. Es wird auch für Einweg-Lebensmittelverpackungen verwendet.

Während Biokunststoffe im Allgemeinen als umweltfreundlicher gelten als herkömmliche Kunststoffe, ergab eine Studie der University of Pittsburgh aus dem Jahr 2010, dass dies nicht unbedingt zutrifft, wenn man die Lebenszyklen der Materialien berücksichtigt.

Die Studie verglich sieben traditionelle Kunststoffe, vier Biokunststoffe und einen, der sowohl aus fossilen Brennstoffen als auch aus erneuerbaren Quellen hergestellt wurde. Die Forscher stellten fest, dass die Produktion von Biokunststoffen aufgrund der beim Anbau der Pflanzen verwendeten Düngemittel und Pestizide und der chemischen Verarbeitung, die erforderlich ist, um organisches Material in Kunststoff umzuwandeln, zu größeren Mengen an Schadstoffen führt. Die Biokunststoffe trugen auch stärker zum Ozonabbau bei als die herkömmlichen Kunststoffe und erforderten eine umfangreiche Landnutzung. Es wurde festgestellt, dass B-PET, der Hybridkunststoff, das höchste Potenzial für toxische Auswirkungen auf Ökosysteme und die meisten Karzinogene aufweist und in der Lebenszyklusanalyse am schlechtesten abschneidet, da er die negativen Auswirkungen von Landwirtschaft und chemischer Verarbeitung vereint.

Biokunststoffe verursachen im Laufe ihrer Lebensdauer deutlich weniger Treibhausgasemissionen als herkömmliche Kunststoffe. Beim Abbau kommt es zu keinem Nettoanstieg des Kohlendioxids, da die Pflanzen, aus denen Biokunststoffe hergestellt werden, die gleiche Menge Kohlendioxid aufgenommen haben, als sie gewachsen sind. Eine Studie aus dem Jahr 2017 ergab, dass die Umstellung von herkömmlichem Kunststoff auf PLA auf Maisbasis die Treibhausgasemissionen in den USA um 25 Prozent senken würde. Die Studie kam außerdem zu dem Schluss, dass die Treibhausgasemissionen um 50 bis 75 Prozent reduziert werden könnten, wenn herkömmliche Kunststoffe mithilfe erneuerbarer Energiequellen hergestellt würden; Biokunststoffe, die in Zukunft mit erneuerbarer Energie hergestellt werden könnten, erwiesen sich jedoch als die vielversprechendsten für eine erhebliche Reduzierung der Treibhausgasemissionen.

Obwohl die biologische Abbaubarkeit von Biokunststoffen von Vorteil ist, benötigen die meisten für den Abbau industrielle Hochtemperatur-Kompostierungsanlagen und nur sehr wenige Städte verfügen über die nötige Infrastruktur, um damit umzugehen. Infolgedessen landen Biokunststoffe häufig auf Mülldeponien, wo sie unter Sauerstoffmangel Methan freisetzen können, ein Treibhausgas, das 23-mal stärker ist als Kohlendioxid.

Wenn Biokunststoffe nicht ordnungsgemäß entsorgt werden, können sie Chargen recycelten Kunststoffs kontaminieren und die Recyclinginfrastruktur schädigen. Wenn Biokunststoff beispielsweise recyceltes PET (Polyethylenterephthalat, der am häufigsten für Wasser- und Limonadenflaschen verwendete Kunststoff) verunreinigt, könnte die gesamte Menge aussortiert werden und auf einer Mülldeponie landen. Daher sind getrennte Recyclingströme notwendig, um Biokunststoffe ordnungsgemäß entsorgen zu können.

Die für Biokunststoffe benötigte Fläche konkurriert mit der Nahrungsmittelproduktion, da die Pflanzen, die Biokunststoffe produzieren, auch zur Ernährung der Menschen genutzt werden können. Die Plastic Pollution Coalition prognostiziert, dass bis 2019 mehr als 3,4 Millionen Hektar Land – eine Fläche größer als Belgien, die Niederlande und Dänemark zusammen – für den Anbau der Pflanzen benötigt werden, um die weltweit wachsende Nachfrage nach Biokunststoffen zu decken. Darüber hinaus wird Erdöl benötigt Die für den Betrieb der landwirtschaftlichen Maschinen verwendeten Geräte verursachen Treibhausgasemissionen.

Biokunststoffe sind zudem relativ teuer; Aufgrund des komplexen Verfahrens zur Umwandlung von Mais oder Zuckerrohr in die Bausteine ​​für PLA kann PLA 20 bis 50 Prozent teurer sein als vergleichbare Materialien. Allerdings sinken die Preise, da Forscher und Unternehmen effizientere und umweltfreundlichere Strategien zur Herstellung von Biokunststoffen entwickeln.

Kartik Chandran und Columbia-Studenten entwickeln Systeme zur Herstellung von biologisch abbaubarem Biokunststoff aus Abwasser und festen Abfällen. Chandran nutzt eine gemischte Mikrobengemeinschaft, die sich von Kohlenstoff in Form flüchtiger Fettsäuren ernährt, beispielsweise der in Essig enthaltenen Essigsäure.

Sein System funktioniert, indem es Abwasser in einen Bioreaktor leitet. Im Inneren wandeln Mikroorganismen (im Gegensatz zu den plastikproduzierenden Bakterien) den organischen Kohlenstoff des Abfalls in flüchtige Fettsäuren um. Der Abfluss wird dann zu einem zweiten Bioreaktor geleitet, wo sich die plastikproduzierenden Mikroben von den flüchtigen Fettsäuren ernähren. Diese Mikroben unterliegen ständig Festphasen, gefolgt von Hungerphasen, in denen sie die Kohlenstoffmoleküle als PHA speichern.

Chandran experimentiert mit konzentrierteren Abfallströmen wie Lebensmittelabfällen und festen menschlichen Abfällen, um die flüchtigen Fettsäuren effizienter zu produzieren. Der Schwerpunkt seiner Forschung liegt auf der Maximierung der PHA-Produktion und der Integration von Abfällen in den Prozess. „Wir wollen so viel wie möglich aus beiden Systemen herausholen“, sagte Chandran.

Er glaubt, dass sein integriertes System kostengünstiger wäre als die derzeit zur Herstellung von Biokunststoff verwendeten Methoden, bei denen Zucker für die Herstellung von PHA gekauft werden muss. „Wenn man die Abwasserbehandlung integriert oder die Herausforderungen der Lebensmittelverschwendung in die Biokunststoffproduktion einbezieht, ist das [wirtschaftlich] recht günstig“, sagte Chandran. „Denn wenn wir uns vergrößern und in den kommerziellen Modus übergehen würden, würden wir dafür bezahlt, die Lebensmittelabfälle zu beseitigen, und dann würden wir auch dafür bezahlt, Biokunststoffe herzustellen.“ Chandran hofft, den Kreislauf zu schließen, sodass Abfallprodukte eines Tages routinemäßig als Ressource dienen können, die in nützliche Produkte wie Biokunststoff umgewandelt werden kann.

Full Cycle Bioplastics in Kalifornien produziert PHA auch aus organischen Abfällen wie Lebensmittelabfällen, Ernterückständen wie Stängeln und ungenießbaren Blättern, Gartenabfällen und nicht recyceltem Papier oder Karton. Dieser Biokunststoff wird zur Herstellung von Taschen, Behältern, Besteck, Wasser- und Shampooflaschen verwendet. Er ist kompostierbar, im Meer abbaubar (d. h. wenn er im Meer landet, kann er als Nahrung für Fische oder Bakterien dienen) und hat keine toxischen Wirkungen. Full Cycle kann das PHA am Ende seiner Lebensdauer verarbeiten und daraus wieder Neukunststoff herstellen.

Das in Pennsylvania ansässige Unternehmen Renmatix nutzt Holzbiomasse, Energiegräser und Ernterückstände anstelle teurerer Nahrungspflanzen. Seine Technologie trennt Zucker aus der Biomasse mithilfe von Wasser und Wärme anstelle von Säuren, Lösungsmitteln oder Enzymen in einem vergleichsweise sauberen, schnellen und kostengünstigen Verfahren. Sowohl die Zucker als auch das Lignin aus der Biomasse werden dann als Bausteine ​​für Biokunststoffe und andere Bioprodukte verwendet.

An der Michigan State University versuchen Wissenschaftler, die Produktionskosten für Biokunststoffe durch den Einsatz von Cyanobakterien, auch Blaualgen genannt, zu senken, die Sonnenlicht nutzen, um durch Photosynthese chemische Verbindungen herzustellen. Anstatt ihre plastikproduzierenden Bakterien mit Zucker aus Mais oder Zuckerrohr zu füttern, haben diese Wissenschaftler Cyanos so optimiert, dass sie den Zucker, den sie auf natürliche Weise produzieren, ständig ausscheiden. Die plastikproduzierenden Bakterien verbrauchen dann den von den Cyanos produzierten Zucker, der wiederverwendbar ist.

Forscher der Stanford University und das in Kalifornien ansässige Startup Mango Materials wandeln Methangas aus Kläranlagen oder Mülldeponien in Biokunststoff um. Das Methan wird plastikproduzierenden Bakterien zugeführt, die es in PHA umwandeln, das das Unternehmen an Kunststoffproduzenten verkauft. Es wird für Plastikverschlüsse, Shampooflaschen oder Biopolyesterfasern verwendet, die mit natürlichen Materialien für Kleidung kombiniert werden können. Der Biokunststoff wird biologisch wieder zu Methan abgebaut und kann, wenn er ins Meer gelangt, auf natürliche Weise von Meeresmikroorganismen verdaut werden.

Das Centre for Sustainable Technologies an der University of Bath in England stellt Polycarbonat aus Zucker und Kohlendioxid für den Einsatz in Flaschen, Linsen und Beschichtungen für Telefone und DVDs her. Herkömmlicher Polycarbonat-Kunststoff wird aus BPA (die Verwendung in Babyflaschen ist verboten) und der giftigen Chemikalie Phosgen hergestellt. Die Bath-Forscher haben einen günstigeren und sichereren Weg gefunden, indem sie den Zuckern bei Raumtemperatur Kohlendioxid hinzufügen. Bodenbakterien können den Biokunststoff in Kohlendioxid und Zucker zerlegen.

Und dann sind da noch diejenigen, die innovative Wege entwickeln, um Plastik vollständig zu ersetzen. Das japanische Designunternehmen AMAM stellt Verpackungsmaterialien aus dem Agar roter Meeresalgen her. Das US-Landwirtschaftsministerium entwickelt eine biologisch abbaubare und essbare Folie aus dem Milchprotein Kasein zum Einwickeln von Lebensmitteln; Es hält Lebensmittel 500-mal besser frisch als herkömmliche Kunststofffolien. Und das in New York ansässige Unternehmen Ecovative verwendet Myzel, den vegetativ verzweigten Teil eines Pilzes, um Pilzmaterialien für biologisch abbaubares Verpackungsmaterial, Fliesen, Pflanzgefäße und mehr herzustellen.

Derzeit kann man kaum behaupten, dass Biokunststoffe umweltfreundlicher sind als herkömmliche Kunststoffe, wenn alle Aspekte ihres Lebenszyklus berücksichtigt werden: Landnutzung, Pestizide und Herbizide, Energieverbrauch, Wasserverbrauch, Treibhausgas- und Methanemissionen, biologische Abbaubarkeit, Recyclingfähigkeit und mehr . Doch während Forscher auf der ganzen Welt daran arbeiten, umweltfreundlichere Sorten und effizientere Produktionsprozesse zu entwickeln, versprechen Biokunststoffe durchaus, die Plastikverschmutzung zu verringern und unseren CO2-Fußabdruck zu verringern.

Mehr Informationen: Ich Daniel Posen et al. Treibhausgasminderung für die Kunststoffproduktion in den USA: Energie zuerst, Rohstoffe später, Environmental Research Letters (2017). DOI: 10.1088/1748-9326/aa60a7

Zeitschrifteninformationen:Umweltforschungsbriefe

Bereitgestellt vom Earth Institute der Columbia University

Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung des Earth Institute der Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu erneut veröffentlicht.