Nachhaltige Kunststoffe Mythos oder Vision

Nachhaltige Kunststoffe – Mythos oder Vision?

Die Kunststoffindustrie befindet sich im Wandel. Hatte man vor einigen Jahren noch den Eindruck, dass der Siegeszug von immer neuen und innovativeren Plastikprodukten kaum aufzuhalten ist, so hat sich heute eine weitläufige Ernüchterung eingestellt. Die Müllberge wachsen weiter, die Ozeanverschmutzung ist nicht mehr zu übersehen.

Seit Anfang 2022 sind nun auch die letzten Plastiktüten innerhalb der EU verboten, als Teil der politischen Bemühungen, mit denen versucht wird, bis zum Jahr 2030 die Vision von nachhaltigem Plastik zu verwirklichen. Teil dieser Kampagne ist nicht nur das Verbot von Einwegplastikprodukten, sondern auch der Ausbau von Recycling und die Förderung von Projekten zur Forschung an nachhaltigeren Kunststoffen. Doch kann das „Bio“-Plastik tatsächlich halten, was es verspricht und eine umweltfreundliche Alternative für unseren Massenkonsum sein?

Das Label macht den Unterschied

Umweltschutz hat sich mittlerweile zu einem Werbeargument entwickelt. Daher ist es nicht verwunderlich, dass auch hier viel Greenwashing betrieben wird und vermeintlich nachhaltige und umweltfreundliche Artikel häufig mehr Schein als Sein sind. Dies wird davon unterstützt, dass häufig der Unterschied zwischen biologischer Abbaubarkeit und der Herstellung aus biologischen Rohstoffen in der Wahrnehmung verschwindet. Dabei ist gerade hier die Auswirkung für die Umweltverträglichkeit enorm.

Abgrenzung von biobasierten, biologisch abbaubaren und konventionellen Kunststoffen Nachhaltige Kunststoffe
Abgrenzung von biobasierten, biologisch abbaubaren und konventionellen Kunststoffen

Biobasierte Kunststoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, sind daher vom Blickpunkt des Ressourcenverbrauchs klimaneutral. Dies sagt jedoch nichts darüber aus, wie gut das hergestellte Plastik abbaubar, daher kompostierbar ist.

Auch ein aus Pflanzen gewonnener Werkstoff kann über einige hunderte oder tausende Jahre stabil bleiben.

Im Gegensatz dazu lassen sich bioabbaubare Kunststoffe über einen verhältnismäßig kurzen Zeitraum von Mikroorganismen enzymatisch zersetzen und somit kompostieren. Über die für die Herstellung benötigten Rohstoffe wird mit dem Label jedoch noch keine Aussage getroffen. Auch aus Erdöl gewonnene, kompostierbare Produkte können somit als „Bio“-Plastik gelten.

Von wirklich nachhaltigen Kunststoffen kann daher nur gesprochen werden, wenn sie diese beiden Merkmale vereinen: Hergestellt aus nachwachsenden Rohstoffen zu kompostierbaren Produkten.

Um dem Greenwashing entgegenzuwirken, sind zudem Richtlinien über die Verwendung von Begriffen sehr wichtig. Zu diesen gehört auch, dass mit kompostierbaren Werkstoffen innerhalb der EU „industriell kompostierbar“ gemeint ist. Aktuell verkaufte vermeintliche „Bio“-Plastiktüten können – ebenso wie herkömmliche Plastikbeutel – auf dem heimischen Kompost somit nicht kompostiert werden.

Biobasierte Kunststoffe

Die Herstellung von Plastik aus nachwachsenden Rohstoffen ist keine neue Erfindung. Bereits im 17. und 18. Jahrhundert wurde die Verwendung von Kautschuk bekannt, welcher aus Baumsäften gewonnen wird. Latex, der milchige Saft der Kautschukpflanzen, ist heute immer noch Grundlage für eine Vielzahl unterschiedlicher Naturgummi-Produkte, wie Schläuche und Dichtungen.

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Und auch die Herstellung von Viskose zum Ende des 19. Jahrhunderts gelang aus rein pflanzlicher Cellulose. Im 20. Jahrhundert setzte sich die Verwendung von Erdöl zur Polymerherstellung durch. Der Hauptvorteil der Verwendung von Erdöl im Herstellungsprozess ist der leichte Zugang zu kleinen Molekülen wie Ethen und Propen. Durch die in diesen Molekülen enthaltenen Doppelbindungen kann im Anschluss mittels eines Initiators die Polymerisation gestartet werden, bei der die kleinen Moleküle zu langen Ketten verknüpft werden. Die Polymerisation von Ethen zu Polyethylen ist hierfür das Paradebeispiel, da Polyethylen (PE) weltweit den größten Anteil an Plastikprodukten ausmacht.

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Erst Ende des 20. Jahrhunderts wurde die Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen wieder interessant. Zum einen wegen des stärkeren ökologischen Bewusstseins, zum anderen gab die drohende Erdölknappheit Grund zum Umdenken. Seitdem haben sich einige Alternativen etabliert. Grundlage für diese sind häufig Cellulose und Stärke, die bereits natürlich als langkettige Polymere vorliegen. Aber auch Polyethylen kann aus natürlichen Rohstoffen gewonnen werden.

Bio-Polyethylen wird aus Zuckerohr hergestellt und ist chemisch gleich mit dem Erdöl basierten Polyethylen.

Eine Bio-Abbaubarkeit ist daher nicht gegeben. Ein anderes Beispiel ist die Veresterung von Milchsäure, hergestellt aus fermentiertem Zucker und Stärke. Der Prozess ist schon seit Mitte des letzten Jahrhunderts bekannt, hat aber nun größeres Interesse geweckt, da Polymilchsäure unter bestimmten Bedingungen biologisch abbaubar ist.

Bioabbaubare Kunststoffe

Die Nachfrage nach biologisch abbaubaren Werkstoffen ist eine neuere Entwicklung, die mit dem zunehmenden Fokus der EU auf das Thema Nachhaltigkeit, aber auch mit den Entwicklungen in der Kunststoffbranche korreliert. Der Grundgedanke ist einfach, da der zunehmenden Verschmutzung der Natur durch Plastikmüll und der Gefährdung von Organismen durch Mikroplastikexposition mit abbaubaren Materialien entgegengewirkt werden soll.

Das bekannteste und weitverbreitetste, abbaubare Polymer ist die Polymilchsäure, auch bekannt als PLA (engl. polylactic acid). Diese darf sich nach den in der EU geltenden Regeln sowohl biobasiert als auch bioabbaubar nennen, da sie in industriellen Kompostieranlagen abbaubar ist. Doch mit dieser Differenzierung wird auch ein Problem sichtbar, auf das viele Wissenschaftler in den letzten Jahren vermehrt hinweisen. Die Abbaubarkeit eines Produktes ist stark von der Umgebung abhängig. So gilt Polymilchsäure als enzymatisch abbaubar, ist aber in Meerwasser sehr stabil, sodass hier kaum ein Unterschied zu konventionellen Produkten erkennbar ist.

Teebeutel aus PLA-Fasern (Polymilchsaeure)
Teebeutel aus PLA-Fasern (Polymilchsäure)

Studien haben gezeigt, dass die wichtigsten Faktoren, die die Abbaubarkeit von Plastik beeinflussen, die Exposition mit UV-Licht und Wärme sind, da diese die Stabilität der Polymerketten beeinflussen.

Der Schlüssel für die erfolgreiche Zersetzung von Polymerketten sind Enzyme, die die ansonsten für den Abbau zu hohe Aktivierungsenergie herabsetzen.

Die Enzyme werden von Mikroorganismen produziert, die je nach Umfeld nicht immer in einem ausreichenden Maß vorhanden sind. Gerade in diesem Bereich wird noch viel geforscht. So wurde erst letztes Jahr eine Möglichkeit vorgestellt, dieses Problem zu umgehen, indem geeignete Enzyme in den Werkstoff eingeschlossen werden.

Dennoch ist dieser Faktor auch eine große Hürde bei der Übertragung von Laborergebnissen in die Realität. Selbst wenn eine enzymatische Zersetzung im Labor nachgewiesen ist, so findet diese hier unter bestimmten Temperaturen und unter Ausschluss von weiteren Stoffen statt, da eine analytische Auswertung von Parametern nur in einem geschlossenen System einwandfrei möglich ist. Das hat jedoch zur Folge, dass unter diesen Bedingungen abbaubare Stoffe nicht unbedingt auch unter natürlichen Bedingungen abbaubar sind. Zum einen ist die Aktivität der Enzyme stark temperaturabhängig, zum anderen bevorzugen Enzyme leicht abbaubare Stoffe. Wenn sich durch ein freies Angebot an abbaubaren Stoffen in der Umgebung die Polymere in Konkurrenz befinden, kann es sein, dass der Werkstoff folglich gar nicht oder nicht in der gewünschten Zeit abgebaut wird.

Ist „Bio“-Plastik nachhaltig?

Ist der Traum von nachhaltigen Kunststoffen also gar nicht realisierbar? Viele Wissenschaftler und auch das Umweltbundesamt sind der Ansicht, dass die Forschung an nachhaltigem Plastik überbewertet wird. Denn selbst wenn die Abbaubarkeit gewährleistet ist, geschieht dies häufig zu Lasten der Belastbarkeit der Produkte.

Umverpackung aus Celluloseacetat-Folie
Umverpackung aus Celluloseacetat-Folie

So können kommerziell erhältliche „Bio“-Plastiktüten schneller reißen und somit zu einem erhöhten Bedarf führen. Zudem ist in vielen Fällen nicht abschließend geklärt, ob eine Zersetzung bis auf molekulare Ebene stattfindet oder ob Mikroplastik zurückbleibt.

Der Mangel an Daten ist auch hier auf die schwierige Simulation von realen Bedingungen im Labor zurückzuführen. So wird die Abbaubarkeit häufig mittels Gewichtsabnahme des Plastikproduktes ermittelt. Solche Studien geben zwar Auskunft über den Zersetzungsprozess, können aber über den Verbleib und die Art der Zersetzungsprodukte wenig Auskunft geben. Zudem wird ein weiterer Punkt außer Acht gelassen: Den meisten Plastikprodukten werden Additive beigemischt, die zur gewünschten Haptik, Elastizität und Widerstandsfähigkeit beitragen.

Diese Additive werden durch die Abbauprozesse in der Natur freigesetzt und können schädigende Eigenschaften besitzen.

Zusätzlich sind auch sozialpolitische Aspekte sehr wichtig. So konnten Studien bereits bestätigen, dass durch die Vermarktung von „Bio“-Plastik das Konsumverhalten sorgloser wurde, und daher mehr Verpackungsmüll in der Natur landete, was äußerst kontraproduktiv für nachhaltiges und umweltfreundliches Verhalten ist.

Bio oder Recycling

Es stellt sich somit die Frage, ob der Traum von nachhaltigem Kunststoff als Revolution für den Plastikmarkt doch mehr ein Mythos als eine Vision ist. Insbesondere durch die Vielseitigkeit der möglichen Umgebungsbedingungen scheint es fraglich, ob dies überhaupt geleistet werden kann. Dennoch ist auch hier klar nach Anwendungszweck zu unterscheiden.

So wird in der medizinischen Praxis bereits mit abbaubaren Polymeren gearbeitet, sie werden für die Verabreichung von Medikamenten in Kapseln und Tabletten oder als resorbierbares, chirurgisches Nahtmaterial eingesetzt.

Umverpackung aus PLA-Folie (Polymilchsaeure)
Umverpackung aus PLA-Folie (Polymilchsäure)

Für viele Einsatzbereiche ist die Abbaubarkeit aber gar nicht erwünscht, so zum Beispiel für den Einsatz unter Wasser oder unter der Erde wie für Unterseekabel oder Kunststoff-Rohre. Hier könnten Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen als klimaneutrale Alternative ihre Einsatzchance bekommen.

Und auch bei Alltags- und Einwegprodukten, die ohnehin nicht auf mehrfache Nutzung ausgelegt sind, stellt sich wohl vor allem die Frage, wie gut sich Entsorgungsmechanismen etablieren lassen und wie sortenrein das gesammelte Plastik dann ist. Hier kommt man sozialpolitisch bei den gleichen Problemen an, die die Gesellschaft für das Recycling von Kunststoffen ohnehin beschäftigen.

Zusammenfassend lässt sich wohl sagen, dass nachhaltige Kunststoffe derzeit keine Lösung für drängende Müll- und Umweltprobleme sein können, aber für manche Anwendungsbereiche immerhin ein Anfang für nachhaltige Produktion und Verwertung darstellen.

Quellen:
W. Beier, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2009.
T. P. Haider, C. Völker, J. Kramm, et al., Angewandte Chemie International Edition 2019, 58, 50-62.
A. Hees, Universität zu Köln, Köln 2019.
T. Iwata, Angewandte Chemie 2015, 127, 3254-3260.
C. DelRe, Y. Jiang, P. Kang, et al., Nature 2021, 592, 558-563.
Bildquellen:
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Kunststoffe (Grafik) | © Ple210, basierend auf: https://www.european-bioplastics.org/bioplastics/, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84550176
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