Biokunststoff

Verpackung aus Biokunststoff (Celluloseacetat)

Als Biokunststoff, Bioplastik (engl. bioplastics) oder Bio-basierter Kunststoff (engl. bio-based plastics; auch bio-basierte Kunststoffe oder „technische Biopolymere“) werden Kunststoffe bezeichnet, die auf Basis nachwachsender Rohstoffe erzeugt werden.

Der Begriff Biokunststoff ist nicht geschützt und wird nicht einheitlich verwendet. Nach einer alternativen Definition sind Biokunststoffe alle biologisch abbaubaren Kunststoffe unabhängig von ihrer Rohstoffbasis, welche alle Kriterien zum Nachweis der biologischen Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit von Kunststoffen und Kunststoffprodukten erfüllen (bio-abbaubare Kunststoffe oder compostable plastics). Während die erste Definition nicht oder nur schwer abbaubare Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe einschließt, werden nach der zweiten Definition diese ausgeschlossen und biologisch abbaubare Kunststoffe auf Mineralölbasis mit eingeschlossen. Die Brockhaus-Enzyklopädie definiert Biokunststoffe als kunststoffanaloge Werkstoffe, die vollständig oder zu überwiegenden Anteilen aus Biopolymeren erzeugt und unter Anwendung der für Kunststoffe üblichen Verfahren modifiziert werden.

Abzugrenzen sind Biokunststoffe von anderen Biowerkstoffen wie den Verbundwerkstoffen, zu denen etwa die Wood-Plastic-Composites gehören und bei denen biogene Anteile (Holzmehl) mit fossilen Kunststoffen oder Biokunststoffen kombiniert werden, und naturfaserverstärkten Kunststoffen. Allerdings sind auch Mischformen wie naturfaserverstärkte Biokunststoffe denkbar und werden teilweise realisiert.

Biokunststoffe werden zu Formteilen, Halbzeugen oder Folien verarbeitet. Sie dienen entsprechend ihrer Abbaueigenschaften vor allem als Material für Verpackungen, Cateringprodukte, Produkte für den Garten- und Landschaftsbau, Materialien für den medizinischen Bereich und andere kurzlebige Produkte. Auf dem internationalen Kunststoffmarkt haben Biokunststoffe derzeit einen verhältnismäßig geringen Stellenwert, der sich Prognosen zufolge jedoch in den nächsten Jahren durch neu zu erschließende Produktfelder und ihre im Vergleich geringeren Rohstoffpreise deutlich erhöhen wird. Im Jahr 2004 stellten bei einem weltweiten Verbrauch von Kunststoffen von etwa 225 Millionen Tonnen pro Jahr die Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen mit rund 250.000 Tonnen einen Anteil von nur 0,1 Prozent dar, für die Zukunft wurden jedoch enorme Marktzugewinne für Biokunststoffe prognostiziert. 2008 wurde geschätzt, dass unter geeigneten Bedingungen etwa 10 % der gesamten Kunststoffproduktion mithin 70 % der Kunststoffverpackungen durch Bioplastikprodukte substituiert werden können. Im gleichen Jahr wurde für die USA ein jährliches Wachstum des Bedarfs an bioabbaubaren Kunststoffen von mehr als 15 % bis 2012 prognostiziert, der Gesamtbedarf sollte demnach von 350.000 t auf 720.000 t pro Jahr steigen.

Geschichte

Schildkröt-Puppe Inge aus Celluloid (1950)

Biokunststoffe waren die frühesten Massenkunststoffe, die industriell hergestellt wurden. Bereits im Jahr 1869 eröffneten die Gebrüder Hyatt die erste Fabrik zur Herstellung von Celluloid, einem thermoplastischen Kunststoff auf der Basis von Cellulose. John Wesley Hyatt erfand das Celluloid im Rahmen eines Preisausschreibens, bei dem eine preiswerte Alternative für das in Billardkugeln verwendete Elfenbein gefunden werden sollte. In der Folge wurde Celluloid für eine Reihe weiterer Verwendungen, vor allem für Filme, Brillenfassungen, Spielzeug, Kämme und Tischtennisbälle eingesetzt; aufgrund seiner schnellen Entflammbarkeit wurde es allerdings rasch wieder verdrängt. Der Werkstoff Galalith (aus Casein) wurde 1897 erfunden und ähnelt stark dem tierischen Horn oder Elfenbein. Man fertigte daraus zum Beispiel Knöpfe, Anstecknadeln, Gehäuse für Radios, Zigarettendosen, Spielzeuge, Griffe für Regenschirme und vieles mehr in den verschiedensten Farben.

Bedruckte Cellophantüte und klare Cellophanverpackung

Im Jahr 1923 startete die Massenproduktion von Cellulosehydrat, dem Zellglas unter dem Markennamen „Cellophan“, welches ebenfalls auf Cellulosebasis entstand und bis heute vor allem für Verpackungen sowie als Einsatz in Briefumschlägen genutzt wird. Es wurde vor allem für die Herstellung von transparenten Folien eingesetzt, wobei die Kosten für die Herstellung im Vergleich zu späteren Konkurrenten sehr hoch waren und Zellglas somit in vielen Bereichen verdrängt wurde. Aufgrund seiner Wasserempfindlichkeit wird Zellglas allerdings mit Polyvinylidenchlorid beschichtet und ist damit nicht mehr biologisch abbaubar.

Durch die Entdeckung von Kunststoffen auf der Basis von Mineralölen entstand schnell eine Konkurrenz, bei der die ersten Biokunststoffe weitestgehend verdrängt wurden. 1907 wurden von Leo Hendrik Baekeland die Bakelite erfunden, duroplastische Kunststoffe auf der Basis von Phenolharz. 1930 folgte Acrylglas (Polymethylmethacrylat), besser bekannt unter dem Markennamen Plexiglas, und nachfolgend kamen Polyamid (Nylon, Perlon), Polystyrol und Polytetrafluorethylen (Teflon) auf den Markt. Ab 1956 wurden schließlich großtechnische Herstellungsverfahren für die bis heute marktbeherrschenden Kunststoffe Polyethylen und Polypropylen eingeführt und Kunststoffe wurden für unterschiedlichste Einsatzgebiete mit verschiedenen Materialeigenschaften entwickelt.

Erst nach 1980 gab es wieder Innovationen im Bereich der Biokunststoffe, die vor allem auf ein verändertes ökologisches Bewusstsein zurückzuführen sind. Als Argumente wurden erneuerbare Rohstoffe und geschlossene Stoffkreisläufe angeführt, später kam die Substitution des Erdöls als Hauptrohstoff aufgrund der steigenden Erdölpreise und der Endlichkeit der Ressourcen zum Tragen. Während der Anteil neuer Patente im Bereich petrochemischer Kunststoffe in der Folge zurückging, nahmen die Patentanmeldungen für Biokunststoffe vor allem auf Stärke- und Cellulosebasis zu. Aktuell wird die Entwicklung der Biokunststoffe vor allem auf der Basis der Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung vorangetrieben. Agrarflächen zur stofflichen Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen werden zukünftig als ein wesentliches Standbein der Landwirtschaft betrachtet, wobei auch neue Technologien wie die industrielle Weiße Biotechnologie eine große Rolle in der Entwicklung neuer sowie der Optimierung bestehender Technologien spielen. Zu den neuartigen Biokunststoffen gehören vor allem Thermoplastische Stärke (TPS), Celluloseacetat und Polylactide (PLA; nur in „Blends“ (Polymergemischen)) während Verfahren zur Herstellung von biobasiertem Polyethylen (Bio-PE), Polypropylen (Bio-PP) und anderen Kunststoffen entwickelt und etabliert werden.

Rohstoffe und Biokunststofftypen

Als Ausgangsstoffe für Biokunststoffe dienen aktuell vor allem Stärke und Cellulose als Biopolymere von Zuckern, mögliche Ausgangspflanzen sind stärkehaltige Pflanzen wie Mais oder Zuckerrüben sowie Hölzer, aus denen Cellulose gewonnen werden kann. Weitere potenzielle Rohstoffe wie Chitin und Chitosan, Lignin, Casein, Gelatine, Getreideproteine und Pflanzenöl kommen für die Herstellung von Biokunststoffen in Frage. Abhängig von ihrer Zusammensetzung, dem Herstellungsverfahren und Beimischung von Additiven ändern sich Formbarkeit, Härte, Elastizität, Bruchfestigkeit, Temperatur-, Wärmeformbeständigkeit und chemische Beständigkeit.

Stärke und Stärkeblends

Maisstärkechips als Kinderspielzeug

→ Hauptartikel: Stärke

Mit einem Marktanteil von etwa 80 Prozent bildet thermoplastische Stärke den derzeit wichtigsten und gebräuchlichsten Vertreter der Biokunststoffe. Die wichtigsten Pflanzen, die zur Gewinnung von Stärke genutzt werden, sind aktuell Mais, Weizen und Kartoffeln in Europa, Afrika und Nordamerika sowie Tapioka in Asien. Die Rohmasse wird von Beiprodukten wie Proteinen, Pflanzenölen und Pflanzenfasern gereinigt und entsprechend für die Nutzung vorbereitet.

Reine Stärke besitzt die Eigenschaft Feuchtigkeit zu absorbieren und wird deshalb vor allem im Pharmabereich zur Erzeugung von Medikamentenkapselhüllen eingesetzt, wurde hier allerdings von der Hartgelatine weitgehend verdrängt. Um die leicht verfügbare Stärke auch thermoplastisch verarbeitbar zu machen, werden ihr natürliche Weichmacher und Plastifizierungsmittel wie Sorbit und Glycerin hinzugefügt. Diese Zusatzstoffe ermöglichen durch variierbare Dosierung eine spezifische, dem Verwendungszweck entsprechend angepasste Veränderung der Materialeigenschaften der sogenannten thermoplastischen Stärke.

Thermoplastische Stärke ist aufgrund ihrer für die Nutzung negativen Eigenschaft, Wasser aufzunehmen, im Regelfall nur eine der Komponenten, aus der moderne Biokunststoffe auf Stärkebasis hergestellt werden. Der zweite Grundbestandteil dieser Kunststoffblends besteht aus wasserabweisenden, biologisch abbaubaren Polymeren wie Polyester, Polyesteramiden, Polyurethanen oder Polyvinylalkohol. Ein Kunststoffblend setzt sich demnach aus der hydrophoben Polymerphase sowie der dispersen und hydrophilen Stärkephase zusammen. Während des Schmelzvorgangs im Extruder verbinden sich die wasserlösliche, disperse Stärkephase und die wasserunlösliche, kontinuierliche Kunststoffphase zu einem wasserfesten Stärkekunststoff. Diese Erkenntnisse bildeten die Basis für die Weiterentwicklung und den schließlichen Durchbruch der Stärkekunststoffe (EP 0596437, EP 0799335).

Stärkeblends und -compounds werden je nach Einsatzgebiet individuell für ihre weitere Nutzung in der kunststoffverarbeitenden Industrie entwickelt und produziert. Als Kunststoffgranulate lassen sie sich auf den vorhandenen Anlagen zu Folien, thermoformbaren Flachfolien, Spritzgussartikeln oder Beschichtungen verarbeiten. Beispiele dafür sind Tragetaschen, Joghurt- oder Trinkbecher, Pflanztöpfe, Besteck, Windelfolien, beschichtete Papiere und Pappen. Auch durch chemische Veränderung wie die Umsetzung zu Stärkeestern oder Stärkeethern mit hohem Substitutionsgrad kann Stärke thermoplastisch modifiziert werden. Diese Verfahren haben sich aber wegen der damit verbundenen hohen Kosten bislang noch nicht durchgesetzt.

Celluloseprodukte

Transparente Würfel aus Celluloseacetat

Ebenso wie die Stärke stellt auch Cellulose ein natürliches Biopolymer aus Zuckermolekülen dar. Cellulose ist in den meisten Pflanzen als Hauptstrukturbaustoff neben dem Lignin vorhanden und kann entsprechend aus Pflanzenmaterial gewonnen werden. Ihr Anteil beträgt etwa bei Baumwolle fast 95 Prozent, beim Hanf 75 Prozent, bei Hartholz 40 bis 75 Prozent und bei Weichholz 30 bis 50 Prozent. Entsprechend ist Cellulose nach dem Holz weltweit der bedeutendste nachwachsende Rohstoff und es wird jährlich in Mengen von etwa 1,3 Milliarden Tonnen genutzt. Über verschiedene chemische Verfahren wird die Cellulose von Lignin und Pentosen gereinigt und zu Zellstoff, der Basis für Papier, Pappe und andere Werkstoffe wie Viskose, verarbeitet.

Für die Herstellung von Biokunststoffen auf Cellulosebasis bedarf es im Regelfall weiterer chemischer Modifizierung. Dabei wird die gereinigte Cellulose vor allem verestert, um das Celluloseacetat (CA) als wichtigsten Kunststoff auf Cellulosebasis zu gewinnen. Celluloseacetat wird zu den thermoplastischen Kunststoffen gezählt, ist ein entsprechend modifizierter Naturstoff, der nicht biologisch abbaubar und auch nicht kompostierbar ist. Schon 1919 wurde ein mit Weichmachern modifiziertes Celluloseacetat als erste Spritzgießmasse patentiert und ermöglichte damit ganz neue und sehr effektive Produktionsmethoden für Schirmgriffe, Tastaturen, Lenkrädern, Spielzeuge, Kugelschreiber und viele weitere Produkte.

Auch das Celluloid sowie das Cellophan sind Kunststoffe auf der Basis von Cellulose. Weitere Kunststoffe auf Cellulosebasis sind Vulkanfiber, Cellulosenitrat, Cellulosepropionat und Celluloseacetatbutyrat.

Polymilchsäure (PLA)

Die Polymilchsäure (Polylactid, PLA) entsteht durch Polymerisation von Milchsäure, die wiederum ein Produkt der Fermentation aus Zucker und Stärke durch Milchsäurebakterien ist. Die Polymere werden nachfolgend bei der Polymerisation aus den unterschiedlichen Isomeren der Milchsäure, der D- und der L-Form, entsprechend den gewünschten Eigenschaften des resultierenden Kunststoffs gemischt. Weitere Eigenschaften können durch Copolymer wie Glykolsäure erreicht werden.

Verpackung für Süßigkeiten aus Polymilchsäure (PLA)

Das durchsichtige Material gleicht herkömmlichen thermoplastischen Massenkunststoffen nicht nur in seinen Eigenschaften, sondern lässt sich auch auf den vorhandenen Anlagen ohne weiteres verarbeiten. PLA und PLA-Blends werden als Granulate in verschiedenen Qualitäten für die Kunststoff verarbeitende Industrie zur Herstellung von Folien, Formteilen, Dosen, Bechern, Flaschen und sonstigen Gebrauchsgegenständen angeboten. Vor allem für kurzlebige Verpackungsfolien oder Tiefziehprodukte (für Getränke- und Joghurtbecher, Obst-, Gemüse- und Fleischschalen) birgt der Rohstoff großes Potenzial. Der Weltmarkt für das Marktsegment „transparente Kunststoffe“ betrug bereits 2001 15 Millionen Tonnen. Nicht nur bei Verpackungen ist die Durchsichtigkeit positiv, auch für Anwendungen in der Bauindustrie, Technik, Optik und im Automobilbau hat sie Vorteile. Außerdem gibt es lukrative Spezialmärkte, zum Beispiel im medizinischen und pharmazeutischen Bereich, wo PLA bereits seit längerem erfolgreich zum Einsatz kommt. Vom Körper resorbierbare Schrauben, Nägel, Implantate und Platten aus PLA oder PLA-Copolymeren werden zur Stabilisierung von Knochenbrüchen verwendet. Auch resorbierbares Nahtmaterial und Wirkstoffdepots aus PLA sind schon lange im Gebrauch.

Sparschwein aus PLA

Ein großer Vorteil von PLA ist die besondere Vielfalt dieses Biokunststoffes, der wahlweise schnell biologisch abbaubar oder auch jahrelang funktionsfähig eingestellt werden kann. Weitere Vorteile der Polylactid-Kunststoffe sind die hohe Festigkeit, die Thermoplastizität und gute Verarbeitung auf den vorhandenen Anlagen der Kunststoff verarbeitenden Industrie. Trotzdem hat PLA auch Nachteile: da der Erweichungspunkt bei etwa 60 Grad Celsius liegt, ist das Material für die Herstellung von Trinkbechern für Heißgetränke nur bedingt geeignet. Die Copolymerisation zu hitzebeständigeren Polymeren oder der Zusatz von Füllstoffen können für größere Temperaturstabilität sorgen. Die japanische Elektronikfirma NEC Corporation konnte die Hitzeempfindlichkeit durch eine Verstärkung mit Kenaffasern und Metallhydroxiden beheben und so einen gut formbaren und schwer entflammbaren Biokunststoff entwickeln, als erstes Produkt wurde das Gehäuse des Mobiltelefons FOMA N701iEco für den japanischen Markt entwickelt. Für die Herstellung von PLA aus Glucose über die Zwischenschritte Milchsäure und Dilactid existieren sowohl Batch-Verfahren als auch – bisher weitgehend im Pilotmaßstab realisiert – kontinuierliche Verfahren. Damit ist die Industrie in der Lage, das Material kostengünstig und mittelfristig wettbewerbsfähig gegenüber Massenkunststoffen herzustellen. Die weltweit erste größere PLA-Produktionsanlage wurde 2003 in den USA in Betrieb genommen, deren Jahreskapazität theoretisch 70.000 t beträgt. Weitere Anlagen sind heute international verfügbar. Eine erste deutsche Pilotanlage zur Herstellung von PLA wurde 2011 im brandenburgischen Guben mit einer Kapazität von 500 t in Betrieb genommen, eine zweite Anlage ist in Leuna geplant und soll ab Mitte 2012 die Produktion aufnehmen.

Polyhydroxyalkanoate, speziell Polyhydroxybuttersäure (PHB)

Das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB) ist ein fermentativ herstellbarer Polyester mit Eigenschaften ähnlich denen des petrochemisch erzeugten Kunststoffs Polypropylen. Es kann auf Basis von Zucker und Stärke hergestellt werden, die Synthese ist jedoch auch aus anderen Nährstoffen wie Glycerin und Palmöl möglich.

Weltweit kündigen zahlreiche Firmen an, in die PHB-Produktion einzusteigen oder ihre Produktion auszuweiten, so beabsichtigt neben einigen mittelständischen Herstellern nun auch die südamerikanische Zuckerindustrie die Herstellung von PHB im industriellen Maßstab. PHB ist biologisch abbaubar, hat einen Schmelzpunkt von über 130 °C, bildet klare Filme und besitzt für viele Anwendungszwecke optimale mechanische Eigenschaften. Die Gewinnung des Kunststoffes aus den Bakterien stellt eine der Hauptschwierigkeiten dar. Die Zellen müssen durch Chloroform oder Enzyme lysiert werden, außerdem werden für ein Kilogramm PHB aktuell drei Kilogramm Zucker benötigt, der vor allem aufgrund der hohen Nachfrage nach Biokraftstoffen und der Nahrungsmittelindustrie limitiert ist.

PHB wird auch, mit weiteren Bestandteilen kombiniert, als PHB-Blend verwendet. Dabei können etwa durch den Zusatz von Celluloseacetaten besondere Materialeigenschaften erreicht werden. Die Palette der Eigenschaften von PHB-Blends erstreckt sich von Klebern bis Hartgummi. Statt Celluloseacetat sind auch Stärke, Kork und anorganische Materialien als Zusätze denkbar. Die Vermischung mit günstigen Zusatzstoffen (Celluloseacetat ist ein preisgünstiges Abfallprodukt aus der Zigarettenfilterproduktion) wirkt sich auch günstig auf die Produktionskosten von PHB-Blends aus. Mittelfristig lassen sich nach Angaben zahlreicher Forscher damit die Herstellungskosten bis in den Bereich Erdöl-basierter Plastikmaterialien absenken.

Weitere Biopolymere

Medikamentenkapseln aus Hartgelatine

Neben den genannten Hauptgruppen der Biokunststoffe gibt es eine ganze Reihe Ansätze, weitere nachwachsende Rohstoffe wie Lignin, Chitin, Casein, Gelatine und weitere Proteine sowie Pflanzenöle für die Herstellung von Biokunststoffen zu nutzen. Als Lignin-Kunststoff wurde bereits 1998 Arboform entwickelt und bis heute vertrieben, verwendet wird das Material für Konsumgüter und in der Automobilbranche. Chitosan als Produkt aus Chitinabfällen bei der Garnelenverwertung ist ebenfalls als Ausgangsmaterial für Fasern, Schaumstoffe, Membranen und Folien etabliert. Zudem werden Kunststoffe produziert, die zu einem relativ großen Anteil auf nachwachsenden Rohstoffen basieren wie etwa die biologisch abbaubaren Kunststoffe Ecovio von BASF mit 45 % PLA-Anteil und das Polytrimethylenterephthalat (PTT) von DuPont.

In jüngerer Zeit verfolgen einige Unternehmen die Strategie, die fossile Rohstoffbasis etablierter Standardthermoplaste durch eine erneuerbare Rohstoffbasis zu ersetzen; Beispiele hierfür sind Bio-PE und Bio-PP auf Basis von Zuckerrohr in Brasilien. In der Forschung sind zudem Bioraffinerien, die ebenfalls auf der Basis von Biopolymeren wie Zucker, Stärke oder Lignocellulose mit Hilfe von Weißer Biotechnologie Plattformchemikalien für die chemische Industrie herstellen sollen.

Aktuelle wissenschaftliche Forschungen und Entwicklungen zielen zudem darauf ab, Kunststoffe aus Agrarreststoffen und Nebenprodukten herzustellen.

Verwendungsbereiche

Als Verwendungsbereiche für Biokunststoffe kommen prinzipiell alle Anwendungsbereiche von Kunststoffen in Frage. Bei den biologisch abbaubaren Kunststoffen bieten sich allerdings einige Anwendungsbereiche an, bei denen eine lange Lebensdauer nachteilig und ein schneller Abbau vorteilhaft ist. Noch schwierig sind technische Spezialanforderungen bei denen das Material etwa hohen Temperaturen widerstehen muss.

Verpackungen

Verpackungschips aus thermoplastischer Stärke

Vor allem im Verpackungsbereich bieten biologisch abbaubare Kunststoffe ein großes Potenzial, das Abfallaufkommen nicht verrottender Kunststoffe erheblich zu reduzieren. Sehr weit verbreitet sind mittlerweile die einfach aufgeschäumten duroplastischen Verpackungschips, die auf der Basis von Stärke hergestellt werden. Daneben gibt es noch viele weitere Verpackungsprodukte aus kompostierbaren Biokunststoffen, die vor allem in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie zum Einsatz kommen könnten. Biokunststoffe können, wie oben beschrieben, zu Folien und Mehrschichtfolien geblasen werden; sie lassen sich als Flachfolien extrudieren, sind thermoverform- und tiefziehbar, man kann sie bedrucken, schweißen, spritzen und verkleben. Ohne weiteres ist es möglich, Biokunststoffe mit den gängigen Techniken und auf den herkömmlichen Maschinen zur Kunststoffverarbeitung zu konfektionieren.

Etabliert hat sich die Anwendung von Biokunststoffen bereits in der Fertigung von Tragetaschen und Tüten, die zuletzt als Sammelbeutel für kompostierbare Abfälle Verwendung finden, sowie bei der Erzeugung von Schalen für Gemüse, Obst, Eiern und Fleisch oder von Behältnissen für Getränke und Molkereiprodukte. Auch Blisterverpackungen, wie man sie von abgepacktem Obst oder Gemüse kennt, lassen sich aus Biokunststoffen herstellen. Verbundverpackungen aus Papier oder Karton mit Biokunststoffbeschichtungen bieten durch die Kompostierbarkeit eine zusätzliche Verwertungsoption ohne Trennungsverfahren. Zunehmend kommen auch kompostierbare Versandverpackungen wie Verpackungschips, Versandtaschen, Luftpolsterfolien, Etiketten und Luftkissen auf den Markt.

In der Sparte der Abfallentsorgung und der Verpackungen besitzen kompostierbare Säcke und Behältnisse zum Sammeln von Biomüll bereits einen beträchtlichen Marktanteil, während in anderen Bereichen die Verwendung von Biokunststoffverpackungen noch immer sekundär ist. In diesen Bereichen liegen die Potenziale der Biokunststoffe, die die Produktion von verbraucherfreundlichen und Entsorgungskosten verringernden Verpackungen ermöglichen. Entsprechend kommen Biokunststoffe als Verpackungsmaterial auch in Supermärkten bereits stärker zum Einsatz. Ein Vorteil für den Einzelhandel ist, dass verdorbene Waren nicht mehr von der Verpackung getrennt entsorgt werden müssen.

Cateringartikel

Zu den besonders kurzlebigen Gegenständen zählen Cateringprodukte. Einmalgeschirr und –besteck sowie Trinkbecher und Schalen, Einwickelfolien für Hamburger oder Trinkhalme werden nach der einmaligen Benutzung mitsamt den anhaftenden Essensresten entsorgt und häufen sich nach Großveranstaltungen und Festen zu großen Müllbergen an. Die Verwendung von kompostierbaren Biokunststoffen bietet hier Vorteile. Mit dem Einsatz von Biokunststoffen lassen sich zudem hohe Entsorgungskosten sparen, was besonders für die Hersteller und Abnehmer von kurzlebigen Verpackungen in der Catering- und Systemgastronomiebranche von Interesse ist. Der Abfall könnte vollständig kompostiert werden, komplizierte und kostspielige Mülltrennungsverfahren wären hinfällig.

All jene oben genannten Produkte werden bereits aus Biokunststoffen erzeugt. Dabei ist eine große Vielfalt an Farben und Formen der Produkte realisierbar.

Garten- und Landschaftsbau

Im Garten- und Landschaftsbau finden Biokunststoffe vor allem als Mulchfolien sowie als Pflanz- und Aufzuchttöpfe Verwendung. In beiden Fällen ist es von Vorteil, wenn die Materialien schnell biologisch abgebaut werden und nicht gesondert von Erde und Pflanzenmaterial entsorgt werden müssen. Vor allem Mulchfolien, die auf größeren Flächen genutzt werden, können nach ihrem Gebrauch einfach untergepflügt werden.

Weiterhin gebräuchlich sind Kunststoffgarne und -bänder zum Hochbinden rankender Pflanzen, etwa Tomaten und Hopfen, kompostierbare Samenbänder, Wirkstoffkapseln, Folien und Netze sowie Friedhofsprodukte wie Pflanzschalen, Blumentöpfe, Kranzfolien oder Friedhofslichter. Auf Golfplätzen können verrottbare Abschlaghalter zur Anwendung kommen.

Medizin und Hygiene

Im Bereich der Medizin und der Pharmazie liegt der Fokus der Entwicklung von Biokunststoffprodukten vor allem in der Resorbierbarkeit der Produkte. So sollen Nahtmaterialien, Schrauben, Kleber oder Implantate vom Körper nach der Nutzungsphase abgebaut und resorbiert werden, um weitere Operationen oder Eingriffe überflüssig zu machen. Entsprechend kommen hier besonders hochwertige Biokunststoffe und bioabbaubare Kunststoffe zur Anwendung. PLA und deren Copolymere sowie das abbaubare Polycaprolacton werden entsprechend zu Nahtmaterialien und chirurgischen Schrauben, Nägeln und Platten verarbeitet. Die wasserempfindliche und schnellauflösende thermoplastische Stärke wird neben Gelatine als Kapselmaterial von Arzneimitteln verwendet. Für Implantate können Materialien mit unterschiedlichen Resorptionszeiten genutzt werden, die dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend eingesetzt werden.

Im Bereich der Hygiene finden Biokunststoffe vor allem für Produkte Anwendung, die als Wegwerfprodukte eine kurze Lebensdauer haben sollen. Dazu gehören beispielsweise Wattestäbchen oder Windelfolien, Bettunterlagen, Damenbinden oder Einmalhandschuhe.

Biologischer Abbau

Biologisch abbaubare Kompostbeutel für Biomüll

Die Bezeichnung biologisch abbaubar beinhaltet keine Begrenzung des Zeitraums bis zur vollständigen Degradation. Die Materialien werden nach ihrer Nutzungsphase teilweise oder vollständig durch Mikroorganismen wie Pilze und Bakterien in Wasser und Kohlendioxid zerlegt. Da der Abbau von äußeren Faktoren abhängt, wie z. B. Temperatur und Feuchtigkeit sowie Beschichtungen, kann der Zeitraum einer Kompostierung variieren. Bei der Herstellung können die Materialeigenschaften von Biokunststoffen aber auch so verändert werden, dass sie beständig sind. Bioabbaubarkeit kann auch bei konventionellen Kunststoffen oder Kunststoffgemischen gegeben sein.

Die wichtigsten Normen für Produkte aus kompostierbaren Werkstoffen sind:

DIN EN 13432 „Verpackung – Anforderungen an die Verwertung von Verpackungen durch Kompostierung und biologischen Abbau – Prüfschema und Bewertungskriterien für die Einstufung von Verpackungen“ ASTM D 6400 „Standard Specification for Compostable Plastics“.

Aus Pflanzen gewonnene Biokunststoffe setzen beim Abbau sowie bei einer energetischen Nutzung nur so viel CO₂ frei, wie sie während der Wachstumsphase aufgenommen haben; sie sind entsprechend nach Abzug von Transport- und Prozessenergien als CO₂-neutral einzustufen.

Entsorgung

Biokunststoffe werden aktuell vor allem aufgrund der geringen Menge nicht separat gesammelt und in der Regel über den Restmüll entsorgt. Auch wenn einige Biokunststoffe biologisch abbaubar sind, dürfen sie dennoch nicht in die Biotonne oder den Biomüll, da der biologische Abbau vor allem von PLA nur unter industriellen Bedingungen möglich ist. Optisch unterscheiden sich Biokunststoffe nicht von konventionellen Kunststoffen und eine technische Sortierung findet derzeit nicht statt. Des Weiteren reicht die maximale Verweilzeit von acht Wochen in einer Kompostierungsanlage nicht aus, um den Biokunststoff vollständig verrotten zu lassen.

Da Biokunststoffe von der Rücknahme- und Verwertungspflicht befreit sind, werden auch keine Gebühren für den grünen Punkt entrichtet, somit gehören sie auch nicht in die gelbe Tonne oder gelben Sack.

Gesetzliche Regelungen

Vor allem Länder der Europäischen Union, hier vor allem Großbritannien, Italien und Deutschland, sowie die USA und einige asiatische Länder sind führend bei der Herstellung und Nutzung von Biokunststoffen, entsprechend gibt es für diese Regionen gesetzliche Rahmenbedingungen zur Bezeichnung, Kennzeichnung und Entsorgung.

Europäische Rahmenbedingungen

Kompostierbarkeitszeichen der DIN CERTCO und der European Bioplastics nach EN 13432

Über die Europäische Norm EN 13432 werden die Richtlinien für biologisch abbaubare Werkstoffe auf europäischer Ebene geregelt. Die Norm legt verbindliche Standards fest, nach denen ein Werkstoff als vollständig kompostierbar betrachtet wird. Die Zertifizierung erfolgt auf nationaler Ebene in Zusammenarbeit mit dem Branchenverband European Bioplastics, der die industriellen Hersteller, Verarbeiter und Anwender von Biokunststoffen und biologisch abbaubaren Werkstoffen (BAW), sowie daraus hergestellter Produkte in Europa vertritt. In Deutschland erfolgt die Zertifizierung und die Vergabe des Kompostierbarkeitszeichens als Umweltgütesiegel über die Zertifizierungsgesellschaft DIN CERTCO.

Mit der Richtlinie 94/62/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 20. Dezember 1994 über Verpackungen und Verpackungsabfälle sowie den europäischen und nationalen Verpackungsverordnungen und Bioabfallverordnungen wird die EN 13232 flankiert und konkretisiert. Dabei soll die EU-94/62/EG vor allem der Harmonisierung der unterschiedlichen Maßnahmen der Mitgliedstaaten im Bereich der Verpackungen und der Verpackungsabfallbewirtschaftung dienen, „um einerseits Auswirkungen dieser Abfälle auf die Umwelt zu vermeiden oder solche Auswirkungen zu verringern und so ein hohes Umweltschutzniveau sicherzustellen und andererseits das Funktionieren des Binnenmarkts zu gewährleisten und zu verhindern, daß es in der Gemeinschaft zu Handelshemmnissen und Wettbewerbsverzerrungen und -beschränkungen kommt.“ Sie sieht vor, „daß biologisch abbaubare Verpackungsabfälle durch physikalische, chemische, wärmetechnische oder biologische Prozesse so zersetzt werden können, daß der Großteil des Endproduktes sich aufspaltet in Kohlendioxid, Biomasse und Wasser.“

Verpackungsverordnung

Biologisch abbaubare Verpackung (Cellulosebasierter Kunststoff)

Die Verpackungsverordnung (VerpackV) wurde erstmals 1991 im Deutschen Bundestag beschlossen. Ziel der aktuell gültigen Verpackungsverordnung von 1998 ist es, die Umweltbelastungen aus Verpackungsabfällen zu verringern und die Wiederverwendung oder Verwertung von Verpackungen zu fördern (§ 1 Abfallwirtschaftliche Ziele). Mit der dritten Novellierung der Verpackungsverordnung vom 27. Mai 2005 wurde eine besondere Ausnahmeregelung für biologisch abbaubare Werkstoffe (und damit auch für die Mehrheit der Biokunststoffe) eingeführt:

• „§ 16, Übergangvorschriften (2) § 6 findet für Kunststoffverpackungen, die aus biologisch abbaubaren Werkstoffen hergestellt sind und deren sämtliche Bestandteile gemäß einer herstellerunabhängigen Zertifizierung nach anerkannten Prüfnormen kompostierbar sind, bis zum 31. Dezember 2012 keine Anwendung. Die Hersteller und Vertreiber haben sicherzustellen, dass ein möglichst hoher Anteil der Verpackungen einer Verwertung zugeführt wird.“

Diese Regelung wird in der fünften Novellierung der Verpackungsverordnung vom 2. April 2008, die am 1. April 2009 in Kraft getreten ist, aufgegriffen und erweitert:

• „§ 16, Übergangvorschriften (2) Die §§ 6 und 7 finden für Kunststoffverpackungen, die aus biologisch abbaubaren Werkstoffen hergestellt sind und deren sämtliche Bestandteile gemäß einer herstellerunabhängigen Zertifizierung nach anerkannten Prüfnormen kompostierbar sind, bis zum 31. Dezember 2012 keine Anwendung. Die Hersteller und Vertreiber haben sicherzustellen, dass ein möglichst hoher Anteil der Verpackungen einer Verwertung zugeführt wird. § 9 findet für Einweggetränkeverpackungen aus Kunststoff, die die in Satz 1 genannten Voraussetzungen erfüllen und zu mindestens 75 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt sind, bis zum 31. Dezember 2012 keine Anwendung, soweit sich Hersteller und Vertreiber hierfür an einem oder mehreren Systemen nach § 6 Abs. 3 beteiligen. Die Erfüllung der in Satz 3 genannten Bedingung, wonach die Einweggetränkeverpackung zu mindestens 75 Prozent aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden muss, ist durch einen unabhängigen Sachverständigen im Sinne des Anhangs I Nr. 2 Abs. 4 nachzuweisen. Im Übrigen bleibt § 9 unberührt. Im Fall des Satzes 3 und soweit Einweggetränkeverpackungen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen nach Satz 1 nach § 9 Abs. 2 keiner Pfandpflicht unterliegen, haben sich Hersteller und Vertreiber abweichend von Satz 1 hierfür an einem System nach § 6 Abs. 3 zu beteiligen, soweit es sich um Verpackungen handelt, die beim privaten Endverbraucher anfallen.“

Mit dieser Ausnahmeregelung und dem daraus resultierenden Wettbewerbsvorteil durch die Befreiung von den Lizenzgebühren für das Duale System sowie der Rücknahmepflicht für Verpackungen und der Pfandpflicht von Einwegflaschen bis zum Jahr 2012 soll die Entwicklung des Marktes für Biokunststoffe und biologisch abbaubare Werkstoffe in Deutschland angekurbelt werden.

Bioabfallverordnung

Die Bioabfallverordnung (BioAbfV) von 1998 (letzte Fassung 2012) zielt in 14 Paragraphen und drei Anhängen auf die ordnungsgemäße Untersuchung, Behandlung und Verwertung von Bioabfällen und Gemischen. Sie richtet sich an Entsorgungsträger, Erzeuger, Besitzer, Behandler und Hersteller für Bioabfälle und Gemische. In dieser Verordnung werden biologisch abbaubare Kunststoffe als Bioabfälle betrachtet und eine Entsorgung über die Biotonne oder den Kompost empfohlen. Dies gilt natürlich nicht für Biokunststoffe, die nicht oder nur schwer biologisch abbaubar sind.

Amerikanische Standards

In den USA werden Biokunststoffe vor allem über die ASTM 6400 und die ASTM D6866 reglementiert. Dabei bestimmt die ASTM 6400 die Regularien für den biologischen Abbau und fordert eine Abbaubarkeit von Kunststoffen von 60 % innerhalb von 180 Tagen, um Produkte als „kompostierbar“ (compostable) zu kennzeichnen. Die Kennzeichnung liegt in den USA beim Biodegradable Products Institute. Vor allem stärkebasierte Kunststoffe, PLA und einige Co-Polyester sind mit dem Zertifikat ausgestattet während die Kennzeichnung als fotodegradable oder oxobiodegradable keine Erfüllung der Standards beinhalten.

Die ASTM D6866 wurde entwickelt, um Standards für biobasierte Kunststoffe festzulegen. Wie bereits dargelegt gibt diese Bezeichnung keinen Aufschluss über die Kompostierbarkeit, da auch Kunststoffe aus 100 % nachwachsenden Rohstoffen nicht zwingend biologisch abbaubar sind.

Marktsituation und Perspektiven

Standardkunststoffe werden heute überwiegend aus Erdöl hergestellt, weniger oft aus Erdgas oder anderen Rohstoffen. Der Preis für Rohöl hat daher direkte Auswirkungen auf den Preis für Kunststoffe. Faktoren, die diesen Preis steigen lassen, sind vor allem der weltweit steigende Energie- und Rohstoffbedarf und politische Konflikte in den Förderländern. Das besonders in den USA verbreitete Fracking vergrößert dagegen das Angebot fossiler Rohstoffe und senkt daher deren Preis. Bislang können Biokunststoffe preislich noch kaum mit konventionellen Kunststoffen konkurrieren. Trotzdem nimmt ihr Marktanteil stark zu. Ein Grund dafür ist das wachsende Umweltbewusstsein bei Industrie und Endverbrauchern, die zum Beispiel für Bio-Lebensmittel auch entsprechende Verpackungen wünschen. Außerdem ist für manche Anwendungen biologische Abbaubarkeit wichtiger als der Preis, zum Beispiel bei chirurgischem Faden.

Von 14 Millionen Tonnen Verpackungen, die jährlich in Deutschland hergestellt werden, bestehen fast 40 Prozent aus Kunststoff. Rund 1,8 Millionen Tonnen hiervon entfallen auf kurzlebige oder nur einmal gebräuchliche Kunststoffverpackungen wie Folien, Beutel, Tragetaschen, Säcke oder Einwegbesteck und -geschirr. Diese Produkte zur hygienischen Verpackung der Lebensmittel könnten problemlos auch aus Stärkekunststoffen und Polylactiden gefertigt werden. Aufgrund dieser Tatsache halten Experten ein Marktvolumen für Biokunststoffe in Deutschland von zwei Milliarden Euro für realistisch. Dieser Einschätzung nach ist auch europaweit davon auszugehen, dass etwa die Hälfte der sechs Millionen Tonnen „Wegwerf-Verpackungen“ durch Biokunststoffe ersetzt werden könnten.

Im Jahr 2007 lag der Verbrauch an biologisch abbaubaren Biokunststoffen in Westeuropa bei etwa 60.000 bis 70.000 Tonnen, was einem Anteil am gesamten Kunststoffmarkt von unter 1 % entspricht. Die Wachstumsraten sind jedoch zweistellig und erreichen in einigen Bereichen bis zu 50 % pro Jahr. Allein der Verbrauch von biologisch abbaubaren Kunststoffen auf der Basis von Stärke, Zucker und Cellulose, den drei bislang wichtigsten Rohstoffen, hat sich in den Jahren 2000 bis 2008 um 600 % erhöht. Die weltweiten Produktionskapazitäten für biologisch abbaubare Kunststoffe für das Jahr 2007 lagen bei 315.000 t, von denen 189.000 t auf Basis Nachwachsender Rohstoffe produziert wurden. Dabei liegt Europa mit 140.000 t Produktionskapazität vor Nordamerika mit 80.000 t. Marktforscher erwarten, dass der Weltmarkt für Biokunststoffe bis zum Jahr 2021 ein Volumen von rund 5,8 Milliarden US-Dollar erreichen wird, das heißt mehr als dreimal so viel wie im Jahr 2014.

Literatur

• Hans-Josef Endres, Andrea Siebert-Raths: Technische Biopolymere. Hanser-Verlag, München 2009; ISBN 978-3-446-41683-3
• Jürgen Lörcks: Biokunststoffe. Pflanzen – Rohstoffe, Produkte. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow 2005 (PDF-Download)
• P. Eyerer, P. Elsner, T. Hirth (Hrsg.): Die Kunststoffe und ihre Eigenschaften. 6. Auflage, Springer Verlag, Heidelberg 2005; S. 1443–1482, ISBN 3-540-21410-0
• Jörg Müssig, Michael Carus: Bio-Polymerwerkstoffe sowie holz- und naturfaserverstärkte Kunststoffe. In: Marktanalyse Nachwachsende Rohstoffe Teil II. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow 2007 (PDF-Download)
• Biologische Abbaubarkeit und Kompostierbarkeit

Weblinks

Wiktionary: Biokunststoff – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• bioplastics magazine – Fachzeitschrift ausschließlich zum Themenkomplex Biokunststoffe (nur in engl. verfügbar)
• European Bioplastics – Verband, Informationen über Biokunststoffe, Kompostierbare Kunststoffe und Marktsituation
• Biokunststoffe – Nachwachsende Rohstoffe auf neuen Wegen – Informationsvideo zum Thema „Biokunststoff“
• Pressemeldung – KDM Kompostierungsanlage – Biokunststoff gehört in den Restmüll.
• plasticker – biokunststoffe – Informationsportal, ausgewählte Artikel zum Thema Biokunststoffe
• Blog zur stofflichen und energetischen Nutzung von Biomasse
• Biokunststoffe und Nahrungsmittel – Stehen Biowerkstoffe in Konkurrenz zu Nahrungsmitteln?
• Umweltbundesamt, Untersuchung der Umweltwirkungen von Verpackungen aus biologisch abbaubaren Kunststoffen (PDF; 3,1 MB), 2012

Einzelnachweise

Dieser Artikel wurde am 13. August 2008 in dieser Version in die Liste der lesenswerten Artikel aufgenommen.