Arten und Möglichkeiten von Biokunststoffen für die Kreislaufwirtschaft

Biokunststoffe

Die wachsende Nachfrage nach Kunststoffen in Verbindung mit der langen Zeit, die für ihren biologischen Abbau benötigt wird, unterstreicht die Notwendigkeit, den Einsatz von Kunststoffen zu reduzieren und durch abbaubare Biokunststoffe zu ersetzen, die durch nachhaltige Verfahren hergestellt werden. Biokunststoffe können im Allgemeinen aus Biomassen wie Mais, Zuckern und Kartoffeln hergestellt werden. Biokunststoffe haben mehrere Vorteile, wie einen geringeren CO2-Fußabdruck, die Möglichkeit einer größeren Unabhängigkeit von fossilen Quellen und eine höhere Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit. Gegenwärtig haben sie jedoch höhere Produktionskosten, Recyclingprobleme (es ist tatsächlich notwendig, sie von herkömmlichen Kunststoffen zu trennen, um den Prozess nicht zu beeinträchtigen) und eine geringe mechanische Beständigkeit. Nicht zuletzt stellt die Verwendung von Nahrungsressourcen für die Herstellung von Biokunststoffen eine wichtige ethische Frage dar, für die entsprechende Bewertungen erforderlich sind. Biokunststoffe können im Rahmen einer zirkulären Bioökonomie alternativ so gestaltet werden, dass sie sich innerhalb weniger Monate oder Jahre vollständig in CO2 abbauen oder als CCS-Technologie (Carbon Capture and Storage) beitragen, indem sie in nicht biologisch abbaubare Infrastrukturen wie Kunststoffrohre für kommunale Gewässer und Abwassersysteme, Baustoffe und Straßenbeläge integriert werden.

Nicht biologisch abbaubare Kunststoffe als CO2-Behälter

Nicht abbaubare Biokunststoffe (wie Bio-PE) könnten in Zukunft eine wichtige Rolle für die Entwicklung nachhaltiger Infrastrukturen spielen, die als CO2-Speicher dienen. Jede gesetzliche Anerkennung könnte diese Infrastrukturen auch für die Ausgabe von CO2-Gutschriften geeignet machen.

Biologisch abbaubare Kunststoffe

Abbaubare Biokunststoffe können zur Herstellung von Gegenständen verwendet werden, die vollständig abgebaut werden, um ihre Umweltauswirkungen zu minimieren. Der Zeitpunkt, mit dem sich die Kunststoffe abbauen, kann basierend auf der Verwendung des Objekts gestaltet werden. Es ist auch wichtig, dass die Kunststoffe in Industriekompostoren, am Boden und im Wasser vollständig zu CO2 und Wasser abgebaut werden können, ohne giftige Nebenprodukte freizusetzen.

Herstellungsprozess von Biokunststoffen aus Biomasse

Die Photosynthese von Pflanzen, Cyanobakterien und Mikroalgen bestimmt die Reduktion von CO2 durch Sonnenenergie und die Bildung eines Komplexes von Biomolekülen, die Biomasse bilden. Eine einfache Methode zur Integration dieser Biomasse in die petrochemische Industrie zur Herstellung von Kunststoffen besteht darin, sie durch Fermentation in Methan umzuwandeln. Methan kann zur Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten (PHA), Milchsäure, Ethanol (Vorläufer von Bio-Polyethylen und Bio-Polyvinylchlorid) verwendet werden. Dieser Ansatz hat den Vorteil, die Anfangs- und Betriebskosten zu minimieren, da die betreffenden Prozesse relativ einfach und kostengünstig sind. Der Nachteil ist, dass die gesamte solare und chemische Energie zur Erzeugung der Biomoleküle bei der Umwandlung in Methan verloren geht, aus dem die bioplastischen Vorläufermoleküle erneut synthetisiert werden müssen. Obwohl das Verfahren in diesem Sinne daher nicht sehr effizient ist, stellt es eine einfache Methode dar, um Biokunststoffe zu erhalten.

Biokunststoffe durch Raffination

Eine mögliche und zielgerichtetere Strategie besteht darin, die Biomasse durch einen Biorefining-Ansatz in ihre biomolekularen Komponenten zu zerlegen. Verfahren, die auf mechanischem Zellbruch und hydrothermaler Verflüssigung basieren, sind in der Entwicklung, um die Freisetzung von Proteinen, Lipiden, Kohlenhydraten, Nukleinsäuren und Cellulose zu ermöglichen. Diese Materialien können dann zur Herstellung der verschiedenen Biokunststoffklassen verwendet werden. Der Erfolg dieses Ansatzes hängt von der Erzielung eines guten Kosten-Nutzen-Verhältnisses ab, trotz der hohen Anfangskosten, die erforderlich sind, um die Biomasse in ihre Bestandteile aufzuteilen. Cyanobakterien können als Ressource für die Koproduktion von Polyhydroxyalkanoaten (PHA), Pigmenten, Methan und Düngemitteln verwendet werden. Es ist auch möglich, den Lebensmittelabfall durch die Hydrolyse von Pilzen und Mikroalgen zu verstärken, was zur Folge hat, dass weichmachende Komponenten und Milchsäure hergestellt werden. Die Herstellung mehrerer Biokunststoffe ausgehend von derselben Biomasse ist von grundlegender Bedeutung und trägt dazu bei, die hohen Kosten für die Fraktionierung und Reinigung auszugleichen.

Generic Engineering für die Herstellung von Biokunststoffen

Gentechnisch veränderte Cyanobakterien können bereits Sonnenlicht nutzen, um die Produktion von Polyhydroxyalkanoaten zu steigern, und es wird angenommen, dass mit der Weiterentwicklung der CRISPR-Technologie (Clustered Regularly Interacly Palyndromic Repeats) die Lichteinfangseffizienz optimiert werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das Engineering spezifischer biochemischer Wege die Herstellung neuer Vorläufermoleküle, die den zukünftigen Generationen von Biokunststoffen ein breites Spektrum an physikalischen und chemischen Eigenschaften verleihen.

Art des biologischen Abbaus von biologisch abbaubaren Biokunststoffen

Die Markteinführung biologisch abbaubarer Biopolymere kann nicht von genauen Analysen der biologischen Abbaubarkeit unter verschiedenen Umweltbedingungen getrennt werden, um eine weitere Verschmutzung durch Kunststoffmaterialien zu vermeiden. Der biologische Abbau biologisch abbaubarer Polymere erfolgt in drei Schritten: Biodeterioration, Bioframmentation und Assimilation und kann dank Bakterien, Algen und Pilzen erfolgen. Ihr Abbau hängt von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Wasser, Sauerstoff und den chemischen Bedingungen des Polymers selbst ab. Die grundlegenden Mechanismen des biologischen Abbaus sind Oxidation oder Hydrolyse durch Enzyme, die die Hydrophilie des Kunststoffmaterials verbessern, aus dem ein Polymer mit einem niedrigeren Molekulargewicht erhalten wird, das für die Assimilation durch Mikroorganismen geeignet ist. Nach dem Abbau verursacht die Fragmentierung den Bruch der Kunststoffpolymerketten die ihre Assimilation ermöglichen. Verschiedene Polymere haben unterschiedliche biologische Abbaueigenschaften. Die Biokunststoffe in Polylactat (PL) beispielsweise zeigen einen relativ langsamen Abbau (bis zu einem Jahr), während die von Celluloseacetat nur wenige Monate dauern. Darüber hinaus variiert der biologische Abbau dieser Materialien je nach Umweltsektor: Sie sind im Bodenbereich und in Kompostierungssystemen oft stark abbaubar, im Wasserraum jedoch gering. Die saure Natur der Umgebung kann auch den biologischen Abbau beeinflussen, da der pH-Wert die Hydrolysegeschwindigkeit und das Wachstum von Mikroorganismen verändert. Ein weiterer Faktor, der die biologische Abbaugeschwindigkeit beeinflusst, ist die Flexibilität der Polymerketten: Je höher diese ist, desto größer ist der biologische Abbau, da die Hydrolysereaktionen mit höherer Geschwindigkeit ablaufen. Anaerobe Bedingungen sind dagegen für den Abbau von Polylactat und Polyhydroxyalkanoaten geeignet. Die durch den Mineralisierungsprozess freigesetzte Energie wird von Mikroorganismen genutzt. In diesem Fall verwenden sie einen Elektronenakzeptor als Alternative zu Sauerstoff, wie das Sulfation oder das Nitration. Im Allgemeinen sind die Abbauraten unter anaeroben Bedingungen aufgrund von Sauerstoffmangel langsamer als aerob. Die Abbauraten für Polylactat und Polyhydroxybutyrat (PHB) sind jedoch unter anaeroben Bedingungen höher.

Schlussfolgerungen

Kunststoffmaterialien sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und ihrer Verwendung in vielen Wirtschaftsbereichen ein besonderes Merkmal moderner Gesellschaften. Diese Vorteile werden jedoch durch die negativen Auswirkungen auf die Umwelt weitgehend ausgeglichen. In dieser Perspektive wird die Notwendigkeit eingefügt, diese Materialien durch Biokunststoffe zu ersetzen, die je nach Zielsetzung leicht biologisch abbaubar sind oder als CO2-Reservoir in der Infrastruktur fungieren. Es gibt verschiedene Wege, Vorläufermoleküle zu synthetisieren, aus denen Biokunststoffe gewonnen werden können, die von der einfachen Fermentation von Biomasse bis zur Verwendung von technischen Bakterien reichen. Biokunststoffe, die eine wesentliche Eigenschaft zur Vermeidung weiterer Umweltverschmutzung sind, weisen unterschiedliche biologische Abbauraten auf, die durch Umwelteinflüsse und die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Polymers bedingt sind. Für eine vollständig nachhaltige industrielle Entwicklung ist es auf jeden Fall erforderlich, dass die für den biologischen Abbau bestimmten Biokunststoffe vollständig zu CO2 und Wasser abgebaut werden, ohne dass dabei gefährliche chemische Rückstände freigesetzt werden in diesem Bereich mit einem Gesetzgebungsapparat, der den Übergang zu einer zirkularen erneuerbaren Bioökonomie ermöglicht, die auf der Verwendung von Biokunststoffen basiert.

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