Nachhaltige Kunststoffe

Im Alltag begegnet Plastik uns so häufig, dass man es bei manchen Sachen schon gar nicht mehr mitbekommt: Egal, ob Kartoffeln, Joghurt, Getränke oder Toast – alles ist in irgendeiner Art von Plastik verpackt. Aber auch in Autos, Möbeln, Elektrogeräten und Kleidung sind Kunststoffe, also Plastik, verarbeitet.

Das hat Auswirkungen auf die Umwelt. Denn Plastik besteht aus Erdöl, wie so viele andere Sachen auch. Und Erdöl ist ein fossiler Rohstoff, welcher nur begrenzt verfügbar ist. Es braucht mehrere Tausend bis Millionen Jahre, bis Erdöl aus toten Organismen entstehen kann.

Abbildung 1: Täglicher Erdölverbrauch weltweit von 1970 bis 2020Quelle: statista.com

In der Abbildung siehst du den Anstieg des täglichen Erdölverbrauches weltweit. Dieser steigt seit 1970 kontinuierlich an.

Da die Erdölreserven der Erde endlich sind, unser Verbrauch aber stetig steigt, benötigen wir Alternativen. Eine solche Alternative können nachhaltige Kunststoffe sein.

Nachhaltige Kunststoffe – Arten

Die Forschung beschäftigt sich schon viele Jahre mit der Suche nach einer perfekten Alternative für Plastik. Diese müsste die gleichen Eigenschaften besitzen. Das heißt, der Stoff müsste leicht in Form zu bringen, kostengünstig zu verarbeiten sein und in unterschiedlichen Härtegraden hergestellt werden können.

Bisher gibt es noch keine nachhaltige Alternative, die alle Eigenschaften konventioneller Kunststoffe in sich vereint. Eine Übersicht der derzeit gängigen nachhaltigen Kunststoffe findest du in der folgenden Abbildung.

Abbildung 2: Verschiedene Plastikarten und ihre biologischen EigenschaftenQuelle: biooekonomie-bw.de

Nicht alle nachhaltigen Kunststoffe sind komplett aus nachwachsenden, biologischen Rohstoffen gefertigt. Daher unterscheidet man zwischen zwei Graden der Abbaubarkeit:

Biologisch abbaubar

Biologisch abbaubar heißt, dass der Stoff in der freien Natur verrotten kann. Also ohne bestimmte Umstände wie exakte Temperatur oder das Vorhandensein von bestimmten Bakterien und anderen Mikroorganismen.

Kompostierbar

Kompostierbarkeit bedeutet, dass das Material in einer industriellen Kompostieranlage innerhalb eines bestimmten Zeitraums (bis zu 12 Wochen) unter Einhaltung festgelegter Temperaturen (65 °C oder 45 °C) zersetzbar ist. Das heißt jedoch, dass diese Kunststoffart nicht im heimischen Komposthaufen kompostiert werden kann.

Beispiele für nachhaltige Kunststoffe

Es gibt noch keine perfekte Alternative für erdölbasierte Kunststoffe. Dennoch wird bereits eine Vielzahl nachhaltiger Kunststoffe eingesetzt.

Polymilchsäure (PLA)

Polymilchsäure (PLA) wird heutzutage schon oft verwendet, vor allem für 3D-Drucker. Es ist ein synthetisches Polymer, das aus nachwachsenden natürlichen Rohstoffen, wie zum Beispiel Mais, gewonnen wird. Dabei wird Stärke aus den Pflanzen isoliert und von Enzymen in Dextrose umgewandelt. Mikroben fermentieren die Dextrose dann zu Milchsäure und wandeln sie schließlich in Polylactid um.

Langkettige Molekülketten werden durch Polymerisation hergestellt und haben ähnliche Eigenschaften wie erdölbasierte Polymere. PLA ist jedoch nicht biologisch abbaubar, sondern nur kompostierbar. PLA besitzt gute mechanische Eigenschaften, wie eine hohe Oberflächenhärte und Steifigkeit. Es ist jedoch nur mäßig temperatur- und witterungsbeständig.

In Abbildung 3 siehst du einen typischen Kreislauf der PLA-Herstellung und des Recyclings dargestellt.

Abbildung 3: PLA-KreislaufQuelle: netzwerk-bioplastik.de

Polyhydroxyalkanoate (PHA)

Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind nachhaltige Kunststoffe, welche durch Bakterien gewonnen werden. PHA können von mehreren Mikroorganismen synthetisiert werden. Sie variieren in ihrer Polymer-Kettenlänge und können unterschiedlich modifiziert oder ergänzt werden. Dadurch entsteht eine große Anzahl an möglichen Zusammensetzungen mit vielen verschiedenen Eigenschaften.

Alle Arten von PHA sind jedoch bei höherer Temperatur verformbar. Zudem sind sie ungiftig, biologisch abbaubar und biokompatibel, das heißt, sie haben keinen schädlichen Auswirkungen beim Kontakt mit lebendem Gewebe. Grundsätzlich sind PHAs nicht schwieriger herzustellen als erdölbasierte Kunststoffe.

Durch die vielfältigen und praktischen Eigenschaften wird PHA heutzutage schon in vielen Bereichen als Alternative zu normalem Plastik verwendet. So kannst du es als Bestandteil in Windeln, Klebstoffen, Fischereinetzen und vielem mehr finden. Eine absolute Lösung für das Ersetzen von Plastik ist es jedoch noch nicht.

Gerüstsubstanzen von Pflanzen

Cellulose und Lignin sind die Biopolymere, die es am häufigsten auf der Welt gibt. Beide bestehen aus Zuckermolekülen und kommen in großen Mengen in Pflanzen vor. Lingnin ist der Stoff, der in Pflanzen die Verholzung hervorruft, also auch mit sehr viel Stabilität verbunden ist. Cellulose hingegen ist der Hauptstrukturbaustoff in allen Pflanzen.

Da Cellulose und Lignin in fast allen Pflanzen vorkommen, hat das einen enormen Vorteil: für die Gewinnung von Cellulose und Lignin müssen keine besonderen Pflanzen angebaut werden. Täglich fällt überall überflüssiges Pflanzenmaterial an, welches sonst entsorgt würde.

Das macht die Herstellung von nachhaltigen Kunststoffen aus Lignin und Cellulose sehr kostengünstig. Mittlerweile gibt es auch viele verschiedene Arten der Kunststofferzeugung aus Cellulose und Lignin.

Cellulose

Die ersten Kunststoffe aus Cellulose waren noch nicht biologisch abbaubar und auch nicht kompostierbar. Mittlerweile gibt es aber schon neuere und innovativere nachhaltige Kunststoffe aus Cellulose, die sowohl kompostierbar als auch biologisch abbaubar sind. Auf Basis von Cellulose lassen sich dabei Kunststoffe unterschiedlicher Eigenschaften produzieren: einige sind härter als Stahl, andere sehr flexibel.

Lignin

Bei Lignin ist die Verarbeitung noch ein großes Problem, denn um Lignin aufzuspalten, benötigt man sehr hohe Temperaturen und hohen Druck. Zudem ist die Beschaffenheit von Lignin je nach Alter, Art und Umweltbedingungen, denen eine Pflanze ausgesetzt war, unterschiedlich.

Trotzdem werden momentan unterschiedliche Projekte gefördert, bei dem Lignin Plastik in bestimmten Materialien ersetzen soll. Dazu gehört Mikroplastik in Kosmetik, Dämmplatten und Klebeband sowie die Herstellung von Carbonfasern aus Lignin. Sogar in Sonnencreme kann Lignin hilfreich sein, denn es absorbiert UV-Strahlung.

Chitin

Chitin ist biologisch eng mit Cellulose verwandt. Chitin ist ein sehr hartes Material, welches zum Beispiel in Gehäusen von Schnecken, Schalen von Muscheln und Panzern von Käfern vorkommt. Interessant an dem Rohstoff ist, dass es sich durch seine besondere Struktur leicht zu Fasern, Filmen und Membranen verarbeiten lässt.

Durch die Vielfalt an Eigenschaften, wie beispielsweise die Wirkung gegen Pilze, hat Chitin noch viele weitere Anwendungsgebiete. Sowohl in der Landwirtschaft, in der Lebensmittelindustrie, als auch in der Medizin und Kosmetik findet Chitin Anwendung. Chitin ist zudem auch biologisch abbaubar und kompostierbar.

Trotz der vielen guten Eigenschaften und der unzähligen Verwendungszwecke, ist Chitin nicht in der Lage Plastik abzulösen, da Chitin zwar viele nützliche Eigenschaften hat, jedoch wenige davon mit denen von Plastik übereinstimmen.

Gelatine

Gelatine ist eher als Zutat in Rezepten bekannt. Aber anstatt mit der Gelatine Wackelpudding oder Sonstiges zu machen, kann man mit ihr auch eine Kunststoffalternative herstellen.

Plastik aus Gelatine ist nicht so beständig und strapazierfähig wie normales Plastik. Außerdem ist es weder hitzebeständig noch wasserfest. Die fehlenden Eigenschaften qualifizieren diese Plastikalternative auch nicht dazu, normales Plastik zu ersetzen.

Bio-Polyethylen

Normales Polyethylen (PE) wird aus Erdgas gewonnen. Bio-Polethylen (Bio-PE) wird jedoch aus Zuckerrohr hergestellt. Es weist die gleichen Eigenschaften wie normales PE auf und kann genauso angewendet und entsorgt werden.

Es ist gegen Säuren, Basen, Alkohol und Ähnliches beständig und auch sehr temperaturresistent. Zudem kann man es wie normales PET einfach recyceln. Obwohl es aus Zuckerrohr besteht, ist es jedoch weder biologisch abbaubar noch industriell kompostierbar. So dient es höchstens als PE-Ersatz, um fossile Brennstoffe zu schonen.

Nachhaltige Kunststoffe – Bedenken

Auch bei nachhaltigen Kunststoffen gibt es Nachteile. Die meisten dieser Kunststoffe bestehen aus Zuckermolekülen, die aus Pflanzen gewonnen werden. Diese Pflanzen sind zwar abbaubar, jedoch müssen sie auch erstmal angebaut werden, um den Rohstoff zu liefern. Genau dieser Anbau ist das Problem. Heutzutage werden bereits Millionen Hektar von Anbaufläche genutzt, um Viehzucht zu betreiben.

Um der Nachfrage von Plastikprodukten in Form von nachhaltigem Kunststoff gerecht zu werden, müssten abermals viele hundert Millionen Hektar Land dafür beansprucht werden. Dies verbraucht viel Wasser und kann dazu führen, dass mehr Flächen gerodet werden. Zudem ist jede Anbaufläche, auf der Rohstoffe für nachhaltiges Plastik angebaut wird, eine Fläche weniger für den Anbau von Nahrungsmitteln.