Der legendäre Terminator der Plastikverschmutzung könnte eine noch schlimmere Umweltverschmutzung verursachen

Da die weltweite Nachfrage nach Kunststoffen weiterhin steigt, wird der Ruf nach nachhaltigeren Kunststofflösungen immer dringlicher. Biobasierte Kunststoffe sind eine der potenziellen Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen. Doch können biobasierte Kunststoffe mit der aktuellen Technologie die Anforderungen für den Aufbau einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft erfüllen?

Geschrieben von Zhu Yehua

Der Einzug biobasierter Kunststoffe

Wenn Zivilisationen für die „Werke“ in Erinnerung bleiben, die sie hinterlassen, könnte unsere aktuelle Ära als „Plastikzeitalter“ bezeichnet werden. Im Jahr 1971 wurde die erste von Experten begutachtete Arbeit veröffentlicht, die die Plastikverschmutzung in der Natur dokumentierte [1]. Seitdem ist eine große Menge an Arbeiten zur Plastikverschmutzung entstanden. Wir wissen heute, dass die Allgegenwart von Kunststoffen in der Umwelt unbestreitbar ist. Seit Anfang der 1950er Jahre hat die Menschheit 8,3 Milliarden Tonnen Kunststoffprodukte produziert, von denen etwa 6,3 Milliarden Tonnen zu Plastikmüll geworden sind. Von den 6,3 Milliarden Tonnen Plastikmüll wurden 9 % recycelt, 12 % verbrannt und 79 % landeten auf Mülldeponien oder wurden in die Natur entsorgt. Wenn die derzeitigen Produktions- und Abfallbewirtschaftungsmuster anhalten, werden bis 2050 schätzungsweise 12 Milliarden Tonnen Plastikmüll anfallen[2]. Die überwältigende Menge an Plastikmüll hat die Menschen gezwungen, unzählige potenzielle Lösungen zu entwickeln, und biobasierte Kunststoffe sind eine davon.

Zunächst müssen wir zwei Konzepte klären. Biobasierte Kunststoffe und Biokunststoffe sind nicht dasselbe. Tatsächlich ist Biokunststoff ein allgemeiner Begriff für biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe. Das Thema dieses Artikels sind „biobasierte Kunststoffe“, die aus aus Nutzpflanzen wie Mais oder Zuckerrohr gewonnenem Kohlenstoff und anderen Chemikalien wie Weichmachern hergestellt werden, die in herkömmlichen Kunststoffen verwendet werden. Dies ist ein Unterschied zu herkömmlichen Kunststoffen, deren Grundgerüst hauptsächlich aus Kohlenstoffketten besteht, die aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden.

PLA-Geschirr丨Quelle: Internet

Die beiden am häufigsten verwendeten biobasierten Kunststoffe sind PHA (Polyhydroxyalkanoat) und PLA (Polymilchsäure). Ersteres wird üblicherweise aus Algen hergestellt, während Letzteres aus Nutzpflanzen wie Mais und Zuckerrohr als Rohstoffen hergestellt wird. PLA kostet ein Zehntel von PHA und wird daher häufiger in Einweggeschirr und verschiedenen Verpackungen verwendet. PHA wird als Innenbeschichtung für Pappbecher und in medizinischen Anwendungen verwendet.

Allerdings wird keiner der beiden biobasierten Kunststoffe weithin verwendet, da ihre Festigkeit und sonstigen Eigenschaften einfach nicht mit denen herkömmlicher Kunststoffe mithalten können und sie zudem viel mehr kosten. Obwohl beide derzeit verwendeten Biokunststoffarten durch Mikroorganismen zersetzt werden können, müssen sie gesammelt und in industriellen Kompostieranlagen mit hohen Temperaturen kompostiert werden. Solche Einrichtungen sind in kommunalen Abfallbehandlungsanlagen selten, insbesondere in Entwicklungsländern, wo die Probleme der Plastikverschmutzung am schwerwiegendsten sind. Darüber hinaus konkurriert die Produktion biobasierter Kunststoffe im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen mit dem Anbau von Nahrungsmitteln um Anbauflächen. Zudem ist die Umweltverträglichkeit der als Rohstoff für biobasierte Kunststoffe verwendeten Pflanzen umstritten.

Konkurrenz um Land und anhaltende Umweltverschmutzung

Der Anbau von Pflanzen aus biobasierten Kunststoffrohstoffen vom Typ PLA erfordert viel Landfläche. Eine Studie aus dem Jahr 2020 schätzte, wie viel Land benötigt würde, um herkömmliche Kunststoffe vollständig durch biobasierte Kunststoffe zu ersetzen. Dabei stellte sich heraus, dass die zur Erreichung dieses Ziels erforderliche Landfläche größer war als die Landfläche Frankreichs und dass die benötigte Wassermenge 60 % über der jährlichen Süßwasserentnahme der EU lag[3].

Der Artikel kommt daher zu dem Schluss, dass es derzeit nicht machbar erscheint, alle petrochemischen Kunststoffverpackungen durch biobasierte Kunststoffe zu ersetzen, da dies zwangsläufig zu einem erheblichen Anstieg des Land- und Wasserverbrauchs führen würde. Sofern keine Wege gefunden werden, die Nachfrage nach Plastik zu reduzieren, werden die meisten Bemühungen, die Plastikverschmutzung zu stoppen, wahrscheinlich nur vorübergehend und unzureichend sein. Darüber hinaus wird sich der Wettbewerb um Land auch auf die natürliche Artenvielfalt auswirken, da Landnutzungsänderungen eine der Hauptursachen für den Verlust der Artenvielfalt sind.

Andererseits besteht das Problem der Umweltverschmutzung durch biobasierte Kunststoffe weiterhin. Eine Studie der Universität Pittsburgh verglich die umweltschädlichen Eigenschaften von sieben herkömmlichen Kunststoffen, vier biobasierten Kunststoffen und einem Kunststoff aus fossilen Brennstoffen und erneuerbarer Energie. Eine vergleichende Analyse ergab, dass die beim Anbau von Nutzpflanzen verwendeten Düngemittel und Pestizide sowie die zur Umwandlung organischer Materialien in Kunststoffe erforderlichen chemischen Verfahren zur Entstehung einer großen Menge an Schadstoffen im Produktionsprozess biobasierter Kunststoffe geführt haben.

Biobasierte Kunststoffe haben eine stärkere Ozonschichtschädigung und benötigen im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen einen größeren Landverbrauch. Nach der Zusammenführung der negativen Auswirkungen der Landwirtschaft und der chemischen Verarbeitung stellte sich heraus, dass gemischte Kunststoffe die größte potenziell toxische Wirkung auf Ökosysteme und die meisten Karzinogene aufweisen und in der Lebenszyklusanalyse am schlechtesten abschnitten[4].

Doch aus der Perspektive der Kohlenstoffemissionen verursachen biobasierte Kunststoffe über ihren Lebenszyklus hinweg wesentlich weniger Treibhausgasemissionen als herkömmliche Kunststoffe. Bei der Zersetzung kommt es zu keinem Nettoanstieg des Kohlendioxids, da die Pflanzen, aus denen die biobasierten Kunststoffe hergestellt werden, während ihres Wachstums die gleiche Menge Kohlendioxid absorbieren.

Bringt der technologische Fortschritt Hoffnung?

Obwohl es noch immer umstritten ist, ob biobasierte Kunststoffe herkömmliche Kunststoffe vollständig ersetzen können, arbeiten einige Forscher weiterhin intensiv daran, die Eigenschaften biobasierter Kunststoffe zu verbessern, um sie für Verbraucherprodukte geeigneter und umweltfreundlicher zu machen.

Bildquelle: Unsplash

Erstens scheint sich das Problem der Landkonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktion allmählich zu lösen. Aufgrund des fortschreitenden technologischen Fortschritts beträgt die Anbaufläche für die Produktion biobasierter Kunststoffe nur noch 0,3 % der gesamten landwirtschaftlichen Nutzfläche. Darüber hinaus kann der Anteil der Landnutzung durch die Entwicklung von Biokunststoffen der zweiten und dritten Generation, deren Ausgangsstoffe nicht Nahrungsmittel, sondern landwirtschaftliche Reststoffe, Bakterien, Pilze oder Mikroalgen sind, weiter reduziert werden. Diese Entwicklung trägt dazu bei, den Druck auf landwirtschaftliche Flächen zu minimieren und potenzielle Konflikte mit der Nahrungsmittelproduktion zu verringern.

Auch neue Herstellungsverfahren haben dazu geführt, dass die Forscher zunehmend „Vertrauen“ in biobasierte Kunststoffe gewinnen. Im Jahr 2021 entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung der Yale School of the Environment einen holzbasierten Zellulose-Biokunststoff, der ihrer Aussage nach nicht nur Erdölkunststoffe, sondern auch bestehende biobasierte Kunststoffmaterialien ersetzen kann. Als Rohstoff für biobasierte Kunststoffe nutzten die Forscher einen günstigen Reststoff aus der Holzverarbeitung – Holzmehl. Sie verwendeten ein biologisch abbaubares und recycelbares tiefeutektisches Lösungsmittel (DES), um das locker strukturierte Holzpulver aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin aufzubrechen. In dem Artikel wird erläutert, dass DES zwei Funktionen hat: das Auflösen von Lignin und das Aufspalten von Zellulose in den Holzzellwänden in Mikro-/Nanofasern. Anschließend wird das Lignin durch Zugabe von Wasser regeneriert bzw. „ausgefällt“ und mit einem Netzwerk aus Mikro-/Nanofasernetzwerken zu einem Lignin-Zellulose-„Brei“ kombiniert. Aus diesem Brei wird schließlich durch ein einfaches Gießverfahren ein biobasierter Kunststoff geformt. Bei diesen Prozessen ist die Modifizierung von Lignin entscheidend. In der Vergangenheit war die Trennung von Lignin und Zellulose sehr teuer, doch bei der In-situ-Ligninregeneration ist die Trennung der beiden nicht mehr erforderlich, wodurch die Produktionskosten für biobasierte Kunststoffe erheblich gesenkt werden. Darüber hinaus kann der In-situ-Ligninregenerationsprozess auch auf verschiedene Arten von Materialien angewendet werden. Neben Holz können auch Gras, Weizenstroh oder Zuckerrohrbagasse zur In-situ-Produktion von Lignin verwendet werden[5].

Neben PHA und PLA ist Cellulosediacetat (CDA), das hauptsächlich aus Zellstoff gewonnen wird, ein weiterer gängiger biobasierter Kunststoff, der in großem Umfang in Zigarettenfiltern, Textilien, Beschichtungen, Folien, Lebensmittelverpackungen und anderen Artikeln wie Brillengestellen und Werkzeuggriffen verwendet wird. Einer in Environmental Science & Technology Letters veröffentlichten Studie zufolge zersetzt und zersetzt es sich im Meer viel schneller als bisher angenommen. Die Forscher kultivierten fast 350 CDA- und Kontrollproben in maßgeschneidertem Meerwasser und statteten das Versuchssystem mit einem kontinuierlichen Meerwasserfluss aus. Die Forscher verwendeten verschiedene Techniken, um den Abbau der Proben zu überwachen, während Meerwasser über sie floss. Zeitrafferaufnahmen und Messungen des Massenverlusts deuten darauf hin, dass CDA-Materialien in Meerwasser in einem Zeitraum von mehreren Monaten zerfallen, was deutlich kürzer ist als bisher angenommen [6].

Erwähnenswert ist, dass biobasierte Kunststoffe eine Initiative darstellen, deren Ziel darin besteht, durch Ausnutzung ihrer Umweltvorteile nachhaltige Nutzungsziele zu erreichen. Obwohl einige Forschungsteams gewisse Erfolge bei der Erforschung und Entwicklung neuer Materialien erzielt haben, befinden sich die meisten verbesserten und vielversprechenden biobasierten Kunststoffe noch in der Forschungsphase und es wird noch lange dauern, bis sie in großem Maßstab gefördert werden können.

Nach Angaben des Instituts für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe (IfBB) der Universität Hannover wurden im Jahr 2018 weltweit 2,61 Millionen Tonnen biobasierter Kunststoffe produziert, was jedoch weniger als 1 % der weltweiten Kunststoffproduktion entspricht. Da der Bedarf der Menschheit an Kunststoffen weiter steigt, steigt auch der Bedarf an nachhaltigeren Kunststofflösungen. Statistiken zufolge wird der Anteil biobasierter Kunststoffe bis 2021 auf 1,5 % der weltweiten und 2,3 % der europäischen Kunststoffproduktion angestiegen sein[7]. Daher können biobasierte Kunststoffe kurzfristig kein wirksames Mittel sein, um die globale Plastikverschmutzung zu beenden.

Verweise

[1] Buchanan JB. Verschmutzung durch Kunstfasern. Bulletin zur Meeresverschmutzung. 1971; 23.

[2] https://www.mdpi.com/2071-1050/14/8/4855.

[3]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332220303055.

[4] Nachhaltigkeitsmetriken: Lebenszyklusanalyse und umweltfreundliches Design bei Polymeren (pitt.edu).

[5] Yale-Studie stellt bahnbrechenden biobasierten Kunststoff vor – Yale Daily News.

[6] Michael G. Mazzotta et al., Schneller Abbau von Cellulosediacetat durch Meeresmikroben, Environmental Science & Technology Letters (2021). DOI: 10.1021/acs.estlett.1c00843.

[7] https://www.ifbb-hannover.de/files/IfBB/downloads/faltblaetter_broschueren/f+s/Biopolymers-Facts-Statistics-2019.pdf.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.

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