Die Wahrheit über Biokunststoffe

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

Die Welt hat seit den 1950er Jahren über neun Milliarden Tonnen Kunststoff produziert., 165 Millionen Tonnen davon haben unseren Ozean verwüstet, jedes Jahr gelangen fast 9 Millionen Tonnen mehr in die Ozeane. Da nur etwa 9 Prozent des Kunststoffs recycelt werden, verschmutzt ein Großteil der Rest die Umwelt oder sitzt auf Deponien, wo es bis zu 500 Jahre dauern kann, bis sich giftige Chemikalien in den Boden zersetzen.

Traditioneller Kunststoff wird aus Rohstoffen auf Erdölbasis hergestellt. Einige sagen, Biokunststoffe—hergestellt aus 20 Prozent oder mehr nachwachsenden Rohstoffen-könnten die Lösung für die Plastikverschmutzung sein., Die oft zitierten Vorteile von Biokunststoff sind der reduzierte Einsatz fossiler Brennstoffe, ein geringerer CO2-Fußabdruck und eine schnellere Zersetzung. Biokunststoff ist auch weniger toxisch und enthält kein Bisphenol A (BPA), einen Hormonstörer, der häufig in herkömmlichen Kunststoffen vorkommt.

Kartik Chandran, Professor für Erd-und Umwelttechnik an der Columbia University, der an Biokunststoffen arbeitet, glaubt, dass Biokunststoffe im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen eine signifikante Verbesserung darstellen.,“

Es stellt sich jedoch heraus, dass Biokunststoffe noch nicht die Silberkugel für unser Kunststoffproblem sind.

Wie biologisch Abbaubar sind Biokunststoffe?

Da es oft Verwirrung gibt, wenn es um Biokunststoffe geht, lassen Sie uns zuerst einige Begriffe klären.

• Abbaubar – Der gesamte Kunststoff ist abbaubar, auch herkömmlicher Kunststoff, aber nur weil er in winzige Fragmente oder Pulver zerlegt werden kann, bedeutet dies nicht, dass die Materialien jemals in die Natur zurückkehren. Einige Zusätze zu herkömmlichen Kunststoffen lassen sie schneller abbauen., Photodegradierbarer Kunststoff zerfällt leichter im Sonnenlicht; oxo-abbaubarer Kunststoff zerfällt schneller, wenn er Hitze und Licht ausgesetzt wird.
• Biologisch abbaubar-Biologisch abbaubarer Kunststoff kann unter den richtigen Bedingungen vollständig in Wasser, Kohlendioxid und Kompost durch Mikroorganismen zerlegt werden. „Biologisch abbaubar“ bedeutet, dass die Zersetzung in Wochen bis Monaten erfolgt. Biokunststoffe, die nicht so schnell biologisch abgebaut werden, werden als „haltbar“ bezeichnet, und einige Biokunststoffe aus Biomasse, die nicht leicht von Mikroorganismen abgebaut werden können, gelten als nicht biologisch abbaubar.,
• Kompostierbar-Kompostierbarer Kunststoff wird in einer Kompoststelle biologisch abgebaut. Mikroorganismen zerlegen es in Kohlendioxid, Wasser, anorganische Verbindungen und Biomasse mit der gleichen Geschwindigkeit wie andere organische Materialien im Komposthaufen und hinterlassen keine giftigen Rückstände.

Arten von Biokunststoffen

Biokunststoffe werden derzeit in Einwegartikeln wie Verpackungen, Behältern, Strohhalmen, Beuteln und Flaschen sowie in Nicht Einwegteppichen, Kunststoffrohrleitungen, Telefonhüllen, 3-D-Druck, Autosisolierung und medizinischen Implantaten verwendet., Der globale Biokunststoffmarkt wird voraussichtlich von 17 Milliarden US-Dollar in diesem Jahr auf fast 44 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 wachsen.

Es gibt zwei Haupttypen von Biokunststoffen.

PLA (Polymilchsäure) wird typischerweise aus den Zuckern in Maisstärke, Maniok oder Zuckerrohr hergestellt. Es ist biologisch abbaubar, kohlenstoffneutral und essbar. Um Mais in Plastik umzuwandeln, werden Maiskörner in Schwefeldioxid und heißes Wasser getaucht, wo ihre Bestandteile in Stärke, Protein und Ballaststoffe zerfallen. Die Kerne werden dann gemahlen und das Maisöl wird von der Stärke getrennt., Die Stärke besteht aus langen Ketten von Kohlenstoffmolekülen, ähnlich den Kohlenstoffketten in Kunststoff aus fossilen Brennstoffen. Einige Zitronensäuren werden zu einem langkettigen Polymer (einem großen Molekül, das aus sich wiederholenden kleineren Einheiten besteht) gemischt, das der Baustein für Kunststoff ist. PLA kann aussehen und sich verhalten wie Polyethylen (verwendet in Kunststofffolien, Verpackungen und Flaschen), Polystyrol (Styropor und Kunststoffbesteck) oder Polypropylen (Verpackungen, Autoteile, Textilien). 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, jedoch mit hohem Kohlenstoffgehalt. Sie produzieren PHA als Kohlenstoffreserven, die sie in Granulat speichern, bis sie mehr von den anderen Nährstoffen haben, die sie zum Wachsen und Vermehren benötigen. Unternehmen können dann das von Mikroben hergestellte PHA ernten, das eine ähnliche chemische Struktur wie herkömmliche Kunststoffe aufweist., Da es biologisch abbaubar ist und lebendes Gewebe nicht schädigt, wird PHA häufig für medizinische Anwendungen wie Nähte, Schlingen, Knochenplatten und Hautersatzstoffe verwendet.

Die Nebenwirkungen der Biokunststoffproduktion

Während Biokunststoffe allgemein als umweltfreundlicher angesehen werden als herkömmliche Kunststoffe, ergab eine Studie der University of Pittsburgh aus dem Jahr 2010, dass dies nicht unbedingt der Fall war, als die Lebenszyklen der Materialien berücksichtigt wurden.,

Die Studie verglich sieben traditionelle Kunststoffe, vier Biokunststoffe und einen aus fossilen Brennstoffen und erneuerbaren Quellen. Die Forscher stellten fest, dass die Produktion von Biokunststoffen aufgrund der beim Anbau der Pflanzen verwendeten Düngemittel und Pestizide und der chemischen Verarbeitung, die zur Umwandlung von organischem Material in Kunststoff erforderlich ist, zu größeren Mengen an Schadstoffen führte. Die Biokunststoffe trugen auch mehr zum Ozonabbau bei als die herkömmlichen Kunststoffe und erforderten eine umfangreiche Landnutzung., Es wurde festgestellt, dass B-PET, der hybride Kunststoff, das höchste Potenzial für toxische Wirkungen auf Ökosysteme und die meisten Karzinogene aufweist und in der Lebenszyklusanalyse das schlechteste erzielte, da es die negativen Auswirkungen sowohl der Landwirtschaft als auch der chemischen Verarbeitung kombinierte.

Biokunststoffe erzeugen im Laufe ihrer Lebensdauer deutlich weniger Treibhausgasemissionen als herkömmliche Kunststoffe. Es gibt keinen Nettoanstieg an Kohlendioxid, wenn sie abgebaut werden, da die Pflanzen, aus denen Biokunststoffe hergestellt werden, die gleiche Menge Kohlendioxid absorbieren, wie sie gewachsen sind., Eine Studie aus dem Jahr 2017 ergab, dass die Umstellung von herkömmlichem Kunststoff auf PLA auf Maisbasis die Treibhausgasemissionen der USA um 25 Prozent senken würde. Die Studie kam auch zu dem Schluss, dass, wenn traditionelle Kunststoffe mit erneuerbaren Energiequellen hergestellt würden, die Treibhausgasemissionen um 50 bis 75 Prozent reduziert werden könnten; Biokunststoffe, die in Zukunft mit erneuerbaren Energien hergestellt werden könnten, zeigten jedoch am vielversprechendsten, die Treibhausgasemissionen erheblich zu reduzieren.,

Andere Probleme

Während die biologische Abbaubarkeit von Biokunststoffen von Vorteil ist, benötigen die meisten industrielle Kompostieranlagen mit hohen Temperaturen, um abzubauen, und nur sehr wenige Städte verfügen über die Infrastruktur, die für ihre Behandlung erforderlich ist. Infolgedessen landen Biokunststoffe häufig auf Deponien, wo sie ohne Sauerstoff Methan freisetzen können, ein Treibhausgas, das 23-mal stärker ist als Kohlendioxid.

Wenn Biokunststoffe nicht ordnungsgemäß entsorgt werden, können sie Chargen von recyceltem Kunststoff verunreinigen und die Recyclinginfrastruktur schädigen., Wenn Biokunststoff recyceltes PET kontaminiert (Polyethylenterephthalat, der gebräuchlichste Kunststoff, der für Wasser-und Sodaflaschen verwendet wird), könnte beispielsweise die gesamte Partie zurückgewiesen werden und auf einer Deponie landen. So sind getrennte Recyclingströme notwendig, um Biokunststoffe richtig entsorgen zu können.

Das für Biokunststoffe benötigte Land konkurriert mit der Lebensmittelproduktion, da die Pflanzen, die Biokunststoffe produzieren, auch zur Ernährung von Menschen verwendet werden können. Die Plastic Pollution Coalition Projekte, die die wachsende globale Nachfrage nach Biokunststoffen gerecht zu werden, mehr als 3.,4 Millionen Hektar Land—eine Fläche größer als Belgien, die Niederlande und Dänemark zusammen—werden benötigt, um die Pflanzen bis 2019 anzubauen. Darüber hinaus erzeugt das für den Betrieb der Landmaschinen verwendete Erdöl Treibhausgasemissionen.

Biokunststoffe sind auch relativ teuer; PLA kann 20 bis 50 Prozent teurer sein als vergleichbare Materialien wegen des komplexen Prozesses, der verwendet wird, um Mais oder Zuckerrohr in die Bausteine für PLA umzuwandeln. Die Preise sinken jedoch, da Forscher und Unternehmen effizientere und umweltfreundlichere Strategien zur Herstellung von Biokunststoffen entwickeln.,

Vom Abwasser zum Biokunststoff

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

Sein System arbeitet, indem es Abwasser in einen Bioreaktor einspeist. Im Inneren wandeln Mikroorganismen (im Gegensatz zu den kunststoffproduzierenden Bakterien) den organischen Kohlenstoff des Abfalls in flüchtige Fettsäuren um., Der Abfluss wird dann zu einem zweiten Bioreaktor geleitet, wo sich die kunststoffproduzierenden Mikroben von den flüchtigen Fettsäuren ernähren. Diese Mikroben werden kontinuierlich bestimmten Phasen ausgesetzt, gefolgt von Hungersnotphasen, 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 Fokus seiner Forschung liegt sowohl auf der Maximierung der PHA-Produktion als auch auf der Integration von Abfällen in den Prozess. „Wir wollen so viel wie möglich quetschen“, sagte Chandran.,

Er glaubt, dass sein integriertes System kostengünstiger wäre als die derzeit verwendeten Methoden zur Herstellung von Biokunststoffen, bei denen Zucker zur Herstellung von PHA gekauft wird. „Wenn Sie die Abwasserbehandlung integrieren oder die Herausforderungen der Lebensmittelverschwendung mit der Biokunststoffproduktion angehen, ist dies recht günstig“, sagte Chandran. „Denn wenn wir skalieren und in den kommerziellen Modus wechseln würden, würden wir dafür bezahlt, die Lebensmittelabfälle wegzunehmen, und dann würden wir auch für die Herstellung von Biokunststoffen bezahlt.,“Chandran hofft, den Kreislauf zu schließen, damit Abfallprodukte eines Tages routinemäßig als Ressource dienen, die in nützliche Produkte wie Biokunststoff umgewandelt werden kann.

Andere vielversprechende Alternativen

Full Cycle Bioplastics in Kalifornien produziert auch PHA aus organischen Abfällen wie Lebensmittelabfällen, Pflanzenrückständen wie Stielen und ungenießbaren Blättern, Gartenabfällen und nicht recyceltem Papier oder Karton., Dieser Biokunststoff wird zur Herstellung von Beuteln, Behältern, Besteck, Wasser-und Shampooflaschen verwendet und ist kompostierbar, marine abbaubar (dh wenn er im Ozean landet, kann er als Fisch-oder Bakteriennahrung dienen) und hat keine toxischen Wirkungen. Voller Zyklus kann den PHA am Ende seines Lebens verarbeiten und ihn verwenden, um wieder reinen Kunststoff herzustellen.

Renmatix mit Sitz in Pennsylvania verwendet holzige Biomasse, Energiegräser und Pflanzenreste anstelle von kostengünstigeren Nahrungsmitteln., Seine Technologie trennt Zucker mit Wasser und Wärme anstelle von Säuren, Lösungsmitteln oder Enzymen in einem vergleichsweise sauberen, schnellen und kostengünstigen Prozess von der Biomasse. Sowohl der 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 bekannt als Blaualgen, zu senken, die Sonnenlicht verwenden, um chemische Verbindungen durch Photosynthese zu produzieren., Anstatt ihre plastikproduzierenden Bakterien Zucker aus Mais oder Zuckerrohr zu füttern, haben diese Wissenschaftler Cyanos optimiert, um ständig den Zucker auszuscheiden, den sie auf natürliche Weise produzieren. Die kunststoffproduzierenden Bakterien verbrauchen dann den von den Cyanos erzeugten Zucker, der wiederverwendbar ist.

Forscher der Stanford University und des kalifornischen Startups Mango Materials wandeln Methangas aus Kläranlagen oder Deponien in Biokunststoff um. Das Methan wird kunststoffproduzierenden Bakterien zugeführt, die es in PHA umwandeln, das das Unternehmen an Kunststoffproduzenten verkauft., Es wird für Kunststoffkappen, Shampooflaschen oder Biopolyesterfasern verwendet, die mit natürlichen Materialien für Kleidung kombiniert werden können. Der Biokunststoff wird biologisch zu Methan abgebaut und kann auf natürliche Weise von marinen Mikroorganismen verdaut werden, wenn er den Ozean erreicht.

Das Centre for Sustainable Technologies der University of Bath in England stellt Polycarbonat aus Zucker und Kohlendioxid für den Einsatz in Flaschen, Linsen und Beschichtungen für Handys und DVDs her. Traditioneller Polycarbonat-Kunststoff wird mit BPA (verboten in Babyflaschen) und der giftigen Chemikalie Phosgen hergestellt., Die Badforscher haben einen billigeren und sichereren Weg gefunden, dies zu tun, indem den Zuckern bei Raumtemperatur Kohlendioxid zugesetzt wird. Bodenbakterien können den Biokunststoff in Kohlendioxid und Zucker zerlegen.

Und dann gibt es diejenigen, die innovative Wege entwickeln, um Kunststoff vollständig zu ersetzen. Das japanische Designunternehmen AMAM produziert Verpackungsmaterialien aus dem Agar in roten Meeresalgen. Das US-Landwirtschaftsministerium entwickelt einen biologisch abbaubaren und essbaren Film aus dem Milchproteinkasein, in den Lebensmittel eingewickelt werden können; Es ist 500 mal besser, Lebensmittel frisch zu halten als herkömmliche Plastikfolie., Und in New York ansässige Ecovative verwendet Myzel, den vegetativen Verzweigungsteil eines Pilzes, zur Herstellung von Pilzmaterialien, für biologisch abbaubares Verpackungsmaterial, Fliesen, Pflanzgefäße und mehr.

Im Moment ist es schwer zu 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., Aber da Forscher auf der ganzen Welt daran arbeiten, grünere Sorten und effizientere Produktionsprozesse zu entwickeln, versprechen Biokunststoffe, die Plastikverschmutzung zu verringern und unseren CO2-Fußabdruck zu reduzieren.