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Kriterien für biologisch abbaubare Kunststoffe

Deponieraum wird knapp, Verbrennungsanlagen sind unerwünscht, doch dessen ungeachtet fertigt man Verpackungen und Einwegprodukte weiterhin aus langzeitstabilen Kunststoffen. Denn nur in wenigen speziellen Anwendungen erreichen biologisch abbaubare Materialien – ob aus nachwachsenden oder petrochemischen Rohstoffen hergestellt – heute schon die Anforderungen etwa hinsichtlich einer wirtschaftlichen Verarbeitung oder einer gleichbleibenden Qualität; die Forschung zeigt aber, daß diese neuen Werkstoffe in vielen Fällen eine Alternative wären, denn sie ließen sich mitunter sogar in der heimischen Komposttonne entsorgen.

Jährlich fallen in der Bundesrepublik fast 32 Millionen Tonnen Hausmüll an (in diesen Angaben des Statistischen Bundesamtes für 1990 sind auch hausmüllähnlicher Abfall von Gewerbemüll und etwas mehr als eine Million Tonnen kompostierbarer Abfall einbezogen, dagegen ist separat gesammelter Wertstoffmüll nicht enthalten). Derzeit deponiert man noch rund 79 Prozent davon, etwa 18 Prozent werden in entsprechenden Anlagen verbrannt.

Jedoch bestehen mehr als 40 Prozent des Hausmülls aus kompostierbarem organischem Material. Um das Abfallvolumen zu verringern, beschloß der Bundesrat im Februar 1993 mit der "Technischen Anleitung Siedlungsabfall" die flächendeckende Kompostierung von Biomüll. Bis zum Jahre 2000 werden vermutlich 70 Prozent der Haushalte diesen in der sogenannten braunen Tonne getrennt sammeln. In rund 1000 großtechnischen Kompostieranlagen sollen dann zehn Millionen Tonnen von der Müllabfuhr abgeholter Haus- und ebensoviel Gewerbe-Biomüll kompostiert werden.

Gemäß dieser Entwicklung versucht man seit Anfang der neunziger Jahre, klassische Kunststoffe in ausgewählten Anwendungsbereichen wie der Verpackung durch biologisch abbaubare zu ersetzen und so Deponieraum zu sparen; mittelfristig rechnet man mit einem substituierten Anteil von etwa fünf Prozent. Fertigt man Verpackungen zudem aus nachwachsenden Rohstoffen, läßt sich eine Kreislaufwirtschaft aufbauen, die mit dem Anbau beginnt und mit dem Ausbringen von Qualitätskompost auf land- oder forstwirtschaftlich genutzte Flächen den Zirkel schließt. So werden die Syntheseleistungen der Natur genutzt und fossile Ressourcen geschont.

Voraussetzungen der Kompostierung

Abbaubar sind keineswegs nur Materialien auf pflanzlicher Basis; entscheidend ist die molekulare Struktur des Produkts. Ein Kunststoff läßt sich durch Kompostierung entsorgen, wenn

- er keine nicht biologisch abbaubaren Bestandteile enthält;

- weder er selbst noch irgendwelche Zusätze – beispielsweise Weichmacher oder Stabilisatoren – den Kompost schädigen (das gilt in gleichem Maße für Zwischen- und Abbauprodukte);

- das Polymer innerhalb eines Rottezyklus in Wasser, Kohlendioxid, Humus und Biomasse wie Kompostbakterien und Pilze umgewandelt wird, also in sechs bis zwölf Monaten im häuslichen Komposthaufen und in wenigen Wochen in einer Großkompostieranlage vollständig zerfällt.

Damit ein Kunststoff biologisch abbaubar ist, müssen es bereits die Rohstoffe sein (Bild 1). Nachwachsende erfüllen diese Forderung naturgegeben, haben aber oft unzureichende Eigenschaften und lassen sich nicht optimal mit herkömmlichen Verfahrenstechniken verarbeiten. Eine Alternative sind Blends (Mischungen) von einem nachwachsenden und einem fossilen Rohstoff, zum Beispiel Stärke und Polycaprolacton oder Regeneratcellulose und Polyether-urethan (Bild 2). Um Produkte mit homogenen und definierten Eigenschaften zu erzeugen, ist der attraktivere Weg jedoch die chemische Veränderung des nachwachsenden Rohstoffs.

Neue Kunststoffe sind zudem nur mit Standardtechniken wie Extrusions- und Spritzgußverfahren ökonomisch zu produzieren. Deshalb muß ein solcher Stoff thermoplastisch – also in der Wärme formbar – sein. Verdeutlichen kann man die auftretenden Probleme an der Cellulose, der Gerüstsubstanz der Pflanzen. Im Normalfall ist sie biologisch abbaubar, aber nicht thermoplastisch. Es gibt zwar durchaus synthetische thermoplastische Abkömmlinge; sie werden allerdings gar nicht oder nur von speziell angepaßten Bakterienstämmen angegriffen.

Das polymere Cellulosemolekül besteht aus vielen miteinander verknüpften Glucoseeinheiten (Bild 3 links); sowohl die biologische Abbaubarkeit als auch die Thermoplastizität richten sich nach dem Derivatisierungsgrad, also der Anzahl der pro Glucoseeinheit ersetzten Hydroxylgruppen (OH). Jeder Baustein hat ursprünglich drei. Der durchschnittliche Substitutionsgrad (der sogenannte DS-Wert) ist der Mittelwert der umgesetzten Gruppen und kann mithin Werte zwischen 0 und 3 annehmen. Nur Abkömmlinge mit großem DS-Wert (2,5 bis 3,0) sind thermoplastisch und lassen sich mit Extrudern verarbeiten. Aber nur Derivate mit Werten unter 1,5 sind biologisch abbaubar. Thermoplastizität und biologische Abbaubarkeit schließen also scheinbar einander aus (Bild 3 rechts).

Um diesen Widerspruch zu lösen, sind folgende Möglichkeiten denkbar:

- Man stützt sich auf Bekanntes und sucht als Kompromiß einen DS-Wert, bei dem beide Eigenschaften mehr oder weniger gut vorhanden sind;

- weil bislang bekannte thermoplastische Cellulosederivate kurzkettige Moleküle anstelle der Hydroxylgruppen tragen, sucht man nach solchen mit langen Ketten und geringem DS-Wert;

- Cellulosederivate, deren Seitenketten gut biologisch abbaubar sind, sollten ebenfalls tauglich sein; hier erfolgt zunächst der Abbau der Seitenketten und dann der des Cellulosegerüsts.

Ein Abkömmling, der die letzten beiden Ideen gleichermaßen erfüllt, ist der Cellulosepolyhydroxyhexansäureester. Seine Synthese gelingt, wenn e-Caprolacton – das ist ein ringförmiger Ester der Capronsäure – auf der Cellulose zum Polycaprolacton polymerisiert wird. Das Produkt wird von Enzymen zersetzt: Die Seitenkette ist gut durch Esterasen, die Cellulose dann durch Cellulasen abbaubar. Die Bedingung ist, daß ein Cellulosebaustein nur maximal eine polymere Seitenkette enthält, mancher auch keine (DS also kleiner als 1,0 ist). Das läßt sich durch die Reaktionsführung steuern. Die Länge der Seitenkette erzeugt dann die geforderte Thermoplastizität.


Enzymtest

Ob die biologische Abbaubarkeit den genannten Kriterien entspricht, kann man auf verschiedene Weisen überprüfen. Bei Enzymtests wird das zu untersuchende Polymer mit katalytischen Proteinen versetzt, die Polymerbindungen spalten; bei Polyestern sind dies Esterasen und Lipasen, bei Cellulose Cellulasen. Im Fall des Cellulosepolyhydroxyhexansäureesters wird das erwähnte Gemisch von Cellulasen und Esterasen eingesetzt. Beim Abbau einer Cellulosekette wird Glucose erzeugt, deren Menge ein Maß für die biologische Abbaubarkeit ist.

Die Untersuchungen zeigen, daß die enzymatische Abbaubarkeit mit dem Substitutionsgrad im Bereich 0 bis 0,2 zunächst zunimmt. Offenbar bricht die schwache Derivatisierung die kristalline Struktur des Holzzellstoffs auf und macht das Substrat leichter angreifbar. Erhöht man den DS-Wert, werden die Cellulasen zunehmend behindert; ab 1,0 ist die biologische Abbaubarkeit nur noch gering. Offenbar können die eingesetzten Esterasen die Bindung zwischen der Cellulose und dem Substituenten dann nicht mehr angreifen. Genaueren Tests zufolge endet der Abbau der Seitenketten durch Esterasen bei solchen hochsubstituierten Derivaten genau bei einer Kettenlänge von zwei Molekülen.

Solche Untersuchungen zeigen die Grenzen der Abbaubarkeit eines Polymers auf, sei es, um neue Synthesestrategien zu entwickeln, sei es, um aus einer Vielzahl von Verbindungen die am besten abbaubare sehr schnell herauszufinden. Ein Nachweis vollständiger Kompostierbarkeit erfordert jedoch noch weitere Tests.


Kohlenstoff-Bilanz

Ein biologisch abbaubarer Kunststoff kann mikrobiell in Kohlendioxid, Biomasse und gelösten Kohlenstoff umgewandelt werden. Die kontinuierliche Bilanzierung des Kohlenstoffs gibt also Aufschluß über die Abbaurate des Polymers. Demnach werden durch den Stoffwechsel von Bakterien in einem wäßrigen Medium mehr als 80 Prozent des vorhandenen Kohlenstoffs von Cellulose und einem Celluloseblend schon in 28 Tagen umgesetzt (Bild 4).

In den Gremien der Deutschen Industrienormen ist man derzeit darum bemüht, einen vergleichbaren Test als Nachweis für die biologische Abbaubarkeit eines Polymers vorzuschreiben. Nur wenn löslicher Kohlenstoff und Restpolymer in einem definierten Zeitraum bestimmte Grenzen unterschreiten sowie Kohlendioxid und Biomasse über entsprechenden Richtwerten liegen, darf der Kunststoff so bezeichnet werden.


Ergänzende Tests

Methoden, die eine Kompostierung unter kontrollierbaren Bedingungen simulieren, sind die Folienkompostierung und der Controlled-Composting-Test.

Die zu prüfenden Folien werden bei dem ersten Verfahren in sechs mal sechs Zentimeter große Diarahmen eingespannt und in eine dünne Schicht Kompost eingelegt, die auf 60 Grad Celsius temperiert ist. Den optisch sichtbaren Zerfall und den Gewichtsverlust vergleicht man mit den Veränderungen einer Folie in vergifteter Erde, also ohne Bodenmikroorganismen.

Im Controlled-Composting-Test wird der zu prüfende Kunststoff mit Kompost in einem temperierten Gefäß vermischt. Man bestimmt dann die KohlendioxidEntwicklung, die entstehende Biomasse und die Menge an nicht abgebautem Polymer. Das freigesetzte Kohlendioxid gilt dabei als ein Maß der Kompostierbarkeit.

Diese Kontrollmethoden sind nur eine Auswahl der durchzuführenden Tests und Analysen für die neue Produktklasse der biologisch abbaubaren Kunststoffe. Ziel dieser Entwicklungen und Untersuchungen ist die garantierte vollständige Bioabbaubarkeit.

Die Akzeptanz dieser Kunststoffe wird zum einen von ihrem Preis abhängen, denn sie werden zunächst das Vier- bis Fünffache der herkömmlichen Materialien kosten. Zum anderen wird es politischer Entscheidungen bedürfen, weil die Länder und Kommunen bereit sein müssen, solche neuen Produkte über die Biotonne zu entsorgen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1995, Seite 78
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1995

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1995

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