19.05.2022

Mit Bio-Kunststoff gegen Kunststoff-Müll

Zu teuer, zu energieintensiv, umweltschädlich. Plastikmüll wird deponiert oder verbrannt. Nur zehn Prozent gehen in die Wiederverwertung. Das könnte biologischer Kunststoff ändern. Damit kann sich Plastik in Wohlgefallen auflösen. Entwicklungen laufen derzeit auf Hochtouren.

Bio-Kunststoff

Kompostierbare Plastikalternative aus Biomasse

359 Millionen Tonnen Kunststoff wurden 2018 produziert. Vor 70 Jahren waren es weltweit jährlich nur rund 1,5 Millionen Tonnen. Recycling – das erfolgt nach wie vor mit chemischen Methoden wie Glycolyse, Pyrolyse und Methanolyse. Sie sind energieaufwendig und noch teurer als Deponie und Müllverbrennung. Um dieses Problems lösen zu helfen, haben Dr. Anne Lamp und Johanna Baare aus Hamburg eine kompostierbare Plastikalternative aus Biomasse entwickelt. Sie soll in kurzer Zeit biologisch abbaubar sein und für Verpackungen und Einwegprodukte geeignet sein. Dafür hat ihr Start-up „Traceless Materials“ kürzlich eine Millionenförderung des Europäischen Innovationsrats (EIC) erhalten und kann nun die Produktion ausbauen, wie „Topagrar“ meldet.

Frischhaltefolie aus Brauereiabfällen

Mit ihrer Technologie wandelt das Unternehmen Abfälle aus der Agrarindustrie in eine Alternative um zu herkömmlichen

  • Frischhaltefolien,
  • Hartplastikverpackungen oder
  • Kunststoffbeschichtungen.

Dazu nutzen sie Reststoffe der Getreideverarbeitung, zum Beispiel

  • Stärkeproduktion oder
  • Brauereien.

Getreide wird weltweit angebaut und ist das am häufigsten produzierte landwirtschaftliche Gut. Diese Rohstoffe „Second Generation Biomass“ werden sonst als Energiefutter an Tiere verfüttert. Die Nährstoffe in diesen Reststoffen könnten die Tiere nicht so gut verarbeiten. Sie seien deswegen nicht so beliebt, wie Lamp erklärt. „Gut für uns, denn auf dem globalen Markt sind diese dementsprechend günstig und vor allem weltweit verfügbar“, so Lamp gegenüber der Agrarfachzeitschrift.

Verbindung zwischen Kunststoff- und Argarindustrie

Traceless Materials schaffe eine Verbindung zwischen der Kunststoffindustrie und der Argarindustrie. Das Unternehmen bietet für die Herausforderungen beider Industrien eine Lösung. Es sieht sich so als Bindeglied zu einer biozirkulären Wertschöpfungskette. Lamp: „Wir arbeiten mit einem internationalen Hersteller zusammen, der seine Rohstoffe wiederum lokal bezieht. Natürlich sind für uns auch heimische Rohstoffe interessant, da wir bei allem was wir tun, stets das große Ganze im Blick haben.“ Im Gegensatz zu anderen Lösungen hat man bei Traceless, so Lamp-Mitstreiterin Johanna Baare, Business Development und Scale-Up Expertin bei Traceless, alle Wirkungsindikatoren im Blick.

Die Technologie ermögliche es, aus Reststoffen der Agrarindustrie ein Material herzustellen, dessen Eigenschaften mit denen herkömmlicher Kunststoffe und Biokunststoffe vergleichbar sind. Es sei zudem vollständig biozirkulär. Traceless sei unter natürlichen Bedingungen – beispielsweise auf dem Heimkompost – kompostierbar. Es sei biologisches Material, stehe gleichwohl dank Nutzung von Reststoffen aus der Lebensmittelproduktion nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion selbst. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen und Biokunststoffen kämen der Produktionsprozess wie das Material ohne schädliche Chemikalien aus. Weiterhin sei das Material klimafreundlich.

Verglichen mit Neukunststoff verursachten Herstellung und Entsorgung bis zu 87 Prozent  weniger CO2-Emissionen. Eine nach wissenschaftlichen Kriterien durchgeführte Ökobilanz (Life-Cycle-Assessment) bestätig das Nachhaltigkeitspotenzial von traceless für alle untersuchten Wirkungsindikatoren, so Baare auf der Packiungsplattform „Packservice“.

Abbau von PET

Bei der biologischen Methode war bisher das Problem, dass die Enzyme nur bei hohen Temperaturen effizient arbeiteten. Eine neue Enzymvariante kann das Polymer Polyethylenterephthalat (PET) selbst bei niedrigen Temperaturen in seine Bestandteile zerlegen. Das sei effektiver, schneller und kostengünstiger als bisherige Recycling-Verfahren, wie „t3n“ berichtet. Die Plattform beruft sich auf eine Forschergruppe an der Universität Austin (Texas), die ein natürliches Enzym unter der Bezeichnung „Fast-Petase“ dahingehend modifiziert haben will, das es Bakterien ermöglicht, PET-Kunstharze abzubauen.

Dabei steht „Fast“ für „functional, active, stable, tolerant“. Über maschinelles Lernen konnten die Forscher das hocheffiziente Enzym erzeugen. Die „Fast-Petase“ kann demnach hingegen bei weniger als 50 Grad ihre Arbeit verrichten. Als nächsten Schritt wollen die Entwickler die Enzymproduktion steigern und zur industriellen Anwendung bringen. Sie prüfen zudem eine Reihe von Möglichkeiten, um die Enzyme zur Umweltsanierung einzusetzen. Sie sollen dann verschmutzte Standorte in der Natur reinigen.

Abbau in Stunden statt Jahrhunderten

PET gehört zur Gruppe thermoplastischer Kunstharze. Das Polymer wird in Kleidung und den meisten Verpackungen wie z.B. von Getränken verwendet. Es macht zwölf Prozent des globalen Abfalls aus. Die „Fast-Petase“ konnte den Kunststoff durch Depolymerisation in kleinste Bestandteile zerlegen und überdies die Monomere anschließend über Repolymerisation wieder zusammensetzen. Interdisziplinär entwickelten die Wissenschaftler ein maschinelles Lernmodell. Es spielt verschiedene Mutationen durch, um schließlich die besten Kombinationen vorzuschlagen, um eine schnelle Depolymerisierung der PET-Abfälle bei niedrigen Temperaturen zu erreichen. Sie erprobten die Design-Enzyme anhand von 51 Kunststoffbehältern und fünf verschiedenen Polyesterfasern und -geweben. Andrew Ellington vom Center für Systeme und synthetische Biologie leitete die Entwicklung des Lernmodells.

Mais für NaKu

Grundsätzlich können Biokunststoffe aus verschiedenen nachwachsenden Ausgangsstoffen hergestellt werden. Als Rohstoffe für natürlichen Kunststoff können alle Stoffe dienen, die Stärke enthalten, wie z.B.

  • Mais,
  • Kartoffeln,
  • Sonnenblumen,
  • Getreide oder
  • Zucker.

Die österreichische Firma NaKu verwendet für seine atmungsaktiven Frischhaltebeutel aus natürlichem Kunststoff ein Stärkecompound aus Mais. Dieser stammt aus europäischer Landwirtschaft und ist gentechnikfrei. NaKu ist ein Familienunternehmen, das sich zum Ziel gesetzt hat, herkömmliche Kunststoffe mit solchen aus nachwachsenden Rohstoffen zu ersetzten. Das NaKu Gründungsteam besteht aus dem Jungunternehmerpaar Ute und Johann Zimmermann und betreibt seit 2007 Forschung und Produktentwicklung mit natürlichen Kunststoffen.

Verarbeitung mit herkömmlichen Methoden der Fertigung

Kunststoffe aus landwirtschaftlichen Kulturpflanzen, wie Kartoffeln, Mais oder Getreide sind herkömmlichen Kunststoffen sehr ähnlich und lassen sich mit denselben Fertigungsmethoden und Maschinen verarbeiten. Ist natürlicher Kunststoff über längere Zeit Wind, Wetter und Bakterien ausgesetzt, verrottet er. Auf diese Weise können Produkte aus natürlichem Kunststoff nach Gebrauch mit dem Hausmüll entsorgt oder auch kompostiert werden. Der natürliche Kunststoff von NaKu hat dabei die Besonderheit, recycle- wie auch kompostierbar zu sein. „Aufgrund ihrer guten Abbaubarkeit und hohen Bioverträglichkeit eignen sich Kunststoffe natürlichen Ursprungs hervorragend für Produkte des täglichen Lebens“, weiß Johann Zimmermann. Dadurch hätten sie besonders in der Getränke- und Verpackungsindustrie großes Potential, herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen und so einen wertvollen Beitrag in Sachen Ressourcen- und Klimaschutz zu leisten.

NaKu-Sortiment mit Umweltmehrwert

Der Einsatz von natürlichen Kunststoffen reicht bei NaKu von Tragetaschen, Frischhalte- und Gefrierbeutel bis hin zu Flaschen. NaKu-Taschen und -Beutel sind atmungsaktive und wasserbeständige Biosäcke auf Basis von Maisstärke oder Zucker. Laut Hersteller punkten sie mit klimafreundlicher Herstellung und Produktvorteilen. Lebensmittel wie Obst, Gemüse oder Brot hielten länger frisch. Über ihren Lebenszyklus könne man sie verwenden:

  • nachhaltiges Nach-Hause-Tragen,
  • Frischhalten von Produkten
  • Benutzung als Biomüllbeutel.

Zudem verrotten diese auf dem Kompost innerhalb von einigen Wochen in ihre natürlichen Bestandteile Wasser und CO2. NaKu stellt zudem Getränkeflaschen und Dosen aus dem Biopolymer Polymilchsäure, kurz PLA, aus pflanzlicher Stärke kreislauffähig her. Dieser Werkstoff weise ähnliche mechanische Eigenschaften wie konventionelles PET auf und ermögliche damit die Produktion verschiedener Flaschenformen und -größen. Bei der Herstellung hingegen zeige die PLA-Flasche im Vergleich zu erdölbasierten Materialien durch eine weitaus bessere CO2-Bilanz. Sie sei frei von Weichmachern wie Phtalate, Bisphenol A, BHPF oder Antimon. Sie könne unter anderem zur Aufbewahrung von Fruchtsäfte oder Smoothies verwendet werden.

Für Herstellung und späteren Gebrauch sind verschiedener Produkte aus natürlichem Kunststoff mit unterschiedlichen technischen Eigenschaften nötig. Bei den NaKu-Flaschen wird beispielsweise ein PLA-Milchsäure auf Stärkebasis als Rohstoff verwendet. Dieses PLA wird ebenfalls aus gentechnisch nicht veränderter Maisstärke.

Flüssiges Holz als Biowerkstoff

Bereits im Jahr 1998 entwickelte ein Hersteller flüssiges Holz, das heute schon bei der Serienproduktion zahlreicher Bauteile eingesetzt wird. Wie die Lieferplattform „WLW“ berichtet, besteht der Biowerkstoff vorwiegend aus dem Holzbestandteil Lignin, ist biologisch abbaubar und dazu noch deutlich preiswerter als der Baustoff Holz. Arboform kommt in der Automobil- und Baubranche, als Elektronikbauteil oder für Gebrauchsgegenstände zum Einsatz. Es begründe eine Entwicklung hin zur Ressourcenschonung und Recyclingfähigkeit. Biokunststoffe sind Polymere, die als nachhaltige Werkstoffe aus organischen Substanzen gewonnen werden. Die verwendete Biomasse gehört zu der Gruppe der erneuerbaren Energien. Biokunststoffe sind nicht immer eindeutig definierbar. Die Einteilung erfolgt grob in drei große Gruppen, von denen sich nur eine auf die verwendeten Rohstoffe bezieht. Unterscheiden lassen sich:

  • Biobasierte Kunststoffe, die aus natürlichen und regenerierbaren Rohstoffen hergestellt sind.
  • Bioabbaubare Kunststoffe, die recyclingfähig bzw. biologisch abbaubar sind.
  • Biokompatible Kunststoffe, die keine gesundheitsschädlichen Auswirkungen auf den menschlichen oder tierischen Organismus haben.
Autor*in: Friedrich Oehlerking (Freier Journalist und Experte für Einkauf, Logistik und Transport)