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Biokunststoff

Als Biokunststoff oder auch Bioplastik (engl. bioplastics) werden Kunststoffe bezeichnet, die auf Basis von nachwachsenden Rohstoffen erzeugt werden. Als Ausgangsstoffe dienen dabei aktuell vor allem Stärke und Cellulose als Biopolymere von Zuckern, mögliche Ausgangspflanzen sind stärkehaltige Pflanzen wie z.B. Mais oder Zuckerrüben sowie Hölzer, aus denen Zellulose gewonnen werden kann. Weitere potentielle Rohstoffe wie Chitin und Chitosan, Lignin, Casein, Gelatine, Getreideproteine und Pflanzenöl kommen für die Herstellung von Biokunststoffen in Frage. Sie gehören entsprechend zu den Biowerkstoffen.

Im weiteren Sinne werden auch bioabbaubare Kunststoffe auf Mineralölbasis sowie Kunststoffmischungen, die nur anteilig aus echten Biokunststoffen bestehen, als Biokunststoffe bezeichnet. Abzugrenzen sind Biokunststoffe von Verbundwerkstoffen wie etwa den Wood-Plastic-Composites, bei denen biogene Anteile (Holzmehl) mit fossilen Kunststoffen kombiniert werden, und naturfaserverstärkten Kunststoffen.

Auf dem internationalen Kunststoffmarkt haben Biokunststoffe derzeit einen verhältnismäßig geringen Stellenwert, der sich Prognosen zufolge jedoch in den nächsten Jahren durch neue Produktfelder und geringere Rohstoffpreise deutlich erhöhen wird. Bei einem weltweiten Gesamtkunststoffverbrauch von etwa 225 Millionen Tonnen stellen die Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen mit rund 250.000 Tonnen pro Jahr einen Anteil von nur 0,1 Prozent dar,[1] für die Zukunft werden jedoch enorme Marktzugewinne für Biokunststoffe prognostiziert.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Schildkröt-Puppe Inge aus Zelluloid, 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. Celluloid war neben dem Campher der Favourit. In der Folge wurde Celluloid für eine Reihe weiterer Verwendungen, vor allem für Filme, Brillengestelle, Spielzeug, Kämme und Tischtennisbälle eingesetzt; aufgrund seiner schnellen Entflammbarkeit wurde es allerdings rasch wieder verdrängt.

Im Jahr 1923 startete die Massenproduktion von Zellulosehydrat bzw. 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 war damit nicht mehr biologisch abbaubar.

Durch die Entdeckung von Kunststoffen auf der Basis von Mineralölen entstand schnell eine Konkurrenz, bei der die Biokunststoffe weitestgehend verdrängt wurden. 1907 wurden von Leo Hendrik Baekeland die Bakelite erfunden, duroplastische Kunststoffe auf der Basis von Phenolharz. 1930 folgte Acrylglas, besser bekannt als Plexiglas, und nachfolgend kamen Nylon, Perlon, Polystyrol und 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 wurde 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 Zellulosebasis 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.

Rohstoffe und Biokunststofftypen

Stärke und Stärkeblends

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 sowieTapioka 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 seiner 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, Polyesterurethanen oder Polyvinylalkohol. Ein Kunststoffblend setzt sich demnach aus zwei Phasen zusammen, aus der kontinuierlichen und der hydrophoben Polymerphase, sowie aus der dispersen und hydrophilen Stärkephase. 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 Kunststoff verarbeitenden Industrie entwickelt und produziert. Als Kunststoffgranulate lassen sie sich auf den vorhandenen Anlagen zu Folien, tiefziehbaren 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

Ebenso wie die Stärke stellt auch Cellulose ein Biopolymer aus Zucker 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, 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 Zellulose 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 Zellulosebasis bedarf es im Regelfall weiterer chemischer Modifizierung. Dabei wird die gereinigte Zellulose vor allem verestert, um das Celluloseacetat (CA) als wichtigsten Kunststoff auf Cellulosebasis zu gewinnen. Celluloseacetat wird den thermoplastischen Kunststoffen gezählt, ist aber entsprechend ein modifizierter Naturstoff. 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 Kunstkoffe auf Cellulosebasis sind Vulkanfiber, Cellulosenitrat, Cellulosepropionat und Celluloseacetobutyrat.

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, entsprechnd der gewünschten Eigenschaften des resultierenden Kunststoffs gemischt. Weitere Eigenschaften können durch Copolymer wie Glykolsäure erreicht werden.

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 (z. B. Getränke- oder Joghurtbecher, Obst-, Gemüse- und Fleischschalen) birgt der Rohstoff großes Potenzial. Der Weltmarkt für das Marktsegment „Transparente Kunststoffe“ beträgt immerhin 15 Mio. Tonnen (2001). 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.

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. Für die Herstellung von PLA aus Glucose über die Zwischenschritte Milchsäure und Dilactid existieren bereits 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 von 140.000 t wird bisher jedoch nur zur Hälfte genutzt.[2] Weitere Anlagen sind heute international verfügbar.

Polyhydroxybuttersäure (PHB)

Das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB) ist ebenfalls ein aus Zucker und Stärke fermentativ herstellbarer Polyester mit Eigenschaften ähnlich denen des petrochemisch erzeugten Kunststoffs Polypropylen. Weltweit kündigen zahlreiche Firmen an, in die PHB-Produktion einzusteigen bzw. ihre Produktion auszuweiten, so beabsichtigt neben einigen mittelständischen Herstellern nun auch die südamerikanische Zuckerindustrie die Herstellung von PHB im industriellen Maßstab, um Preise unter 5 €/kg zu realisieren. PHB ist biologisch abbaubar, hat einen Schmelzpunkt von über 130 °C, bildet klare Filme und besitzt für viele Anwendungszwecke optimale mechanische Eigenschaften.

PHB wird auch, mit weiteren Bestandteilen vermischt, als PHB-Blend verwendet. Dabei können z. B. 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 PHP-Blends aus. Mittelfristig lassen sich nach Angaben zahlreicher Forscher damit die Herstellungskosten bis in den Bereich Erdöl-basierter Plastikmaterialien absenken.[3]

Weitere Biopolymere

Neben den genannten Hauptgruppen der Biokunststoffe gibt es eine ganze Reihe Ansätze, weitere nachwachsende Rohstoffe wie wie Chitin und Chitosan, Lignin, Casein, Gelatine, Getreideproteine und Pflanzenöle für die Herstellung von Biokunststoffen zu nutzen. Aktuelle wissenschaftliche Forschungen und Entwicklungen zielen zum Beispiel darauf ab, Kunststoffe aus Agrarabfällen wie Schweineurin[4] oder Gefügelfedern[5] herzustellen.

Kunststofftypen

Kunststoffe werden aufgrund ihrer Materialeigenschaften grundsätzlich in zwei Kunststofftypen eingeordnet, die Duroplaste und die Thermoplaste. Duroplaste zeichnen sich dadurch aus, dass sie nach ihrer Formgebung nicht mehr thermisch verformbar sind während Thermoplaste unter Temperatureinfluß eingeschmolzen und verformt werden können.

Duroplastische Biokunststoffe haben nur eine relativ geringe Bedeutung. Sie bestehen vor allem aus Stärkeblends und Spezialstärken, die durch Zugabe von unterschiedlichen Zutaten wie Wasser und Treibmittel in Form von Backpulver sowie Ölen, Naturwachs und Polyvinylalkohol als Hydrophobierungsmittel, Polycaprolacton oder Polyurethan als Flexibilitätsmittel sowie Fließhilfsmittel beigegeben werden. Der im Extruder hergestellte Kunststoff ist schaumig und kann zu Chips verarbeitet oder zu Formteilen gepresst werden. Auf diese Weise werden Verpackungschips, Zigarettenfilter oder Schalen für Lebensmittelverpackungen oder Trinkbecher und andere Formteile aus dem Rohmaterial hergestellt. Auch Polyurethane auf der Basis von aus pflanzlichen Ölen wie Soja-, Lein-, Raps- und Kokosöl gewonnenen Polyolen substituieren in einigen Betrieben der chemischen Industrie traditionelle Polyole auf Mineralölbasis.[6]

Der weitaus größte Teil der Biokunststoffe wird für thermoplastische Kunststoffe verwendet. Die Kunststoffe werden im Extruder mit anderen notwendigen Komponenten vermischt und danach zu Kunststoffgranulat für die weitere Verarbeitung (Spritzguß- oder andere Verfahren) geschnitten oder direkt in weiterverarbeitende Fertigungsmaschinen geführt, die aus dem Material Folien, Platten, Rohre oder Profile herstellen.

Verarbeitungstechniken

Für die Verarbeitung von thermoplastischen Biokunststoffen stehen abhängig von der späteren Verwendung unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Diese unterscheiden sich nicht von denen zur Verarbeitung konventioneller Kunststoffe.

Die wichtigste Form der Weiterverarbeitung von Granulaten besteht im Spritzgussverfahren. Auf diese Weise können Kunststoffformteile in nahezu allen erdenkbaren Formen und Größen hergestellt werden. Die heiße Kunststoffmasse wird hierbei in eine Form, das so genannte Werkzeug gespritzt, das eine Negativform (Kavität) des gewünschten Kunststoffteils darstellt. Nach dem erkalten kann das fertige Kunststoffteil entnommen werden. Im Bereich der Biokunststoffe entstehen auf diese Weise vor allem Einwegprodukte für das Catering, den Gartenbau oder andere Bereiche.

Folienblasmaschinen bestehen aus modifizierten Extrudern, denen eine Ringdüse nachgeschaltet ist. Die Kunststoffmasse wird über diese Düse zu einem Schlauch gepresst und nachfolgend aufgeblasen, sodass ein Folienschlauch entsteht. Die Foliendicke wird über die Geschwindigkeit des Zuges sowie über die Abkühlung reguliert. Folien aus Biokunststoffen dienen als Verpackung, Hygienefolien, Einmalhandschuhe oder Tragetaschen und Müllbeutel.

Flaschen aus Biokunststoffen müssen über eine Spritzblaseinrichtung hergestellt werden. Wie bei der Spritzgussanlage wird die Kunststoffmasse in ein Werkzeug in Form eines Vorformlings eingeführt und dann aufgeblasen. PLA-Flaschen mit vergleichbaren Eigenschaften wie PET-Flaschen sind pfansfrei auf dem europäischen Markt.

Schäume werden mit einem Schaumextruder hergestellt, indem das thermoplastische Granulat gemeinsam mit einem Treibmittel wie Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff vermischt wird. Über einen Zellbildner wie Zitronensäure oder Natriumcarbonat kann eine gleichmäßige Struktur des Schaums erreicht werden. Das daraus resultierende Schaumgemisch kann zu Formteilen ausgespritzt, umgeformt oder tiefgezogen werden.

Verwendungsbereiche

Verpackungen

Aufgrund der biologischen Abbaubarkeit von Biokunststoffen findet ihre Verwendung vor allem im Verpackungsbereich großen Zuspruch. Sehr weit verbreitet sind mittlerweile die einfach aufgeschäumten duroplastischen Verpackungschips, die auf der Basis von Stärke hergestellt werden. Daneben gibt es aber 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 problemlos aus Biokunststoffen herstellen. Verbundverpackungen aus Papier oder Karton mit Biokunststoffbeschichtungen bilden eine neue Generation von Verpackungen mit kompostierbaren Eigenschaften und ermöglichen eine Verwertung ohne komplizierte und aufwendige Trennungsverfahren. 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.

Cateringartikel

Zu den besonders kurzlebigen Gegenständen zählen auch 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 Biokunststoffen bietet hier Vorteile, die sich aus der Kompostierbarkeit von nicht petrochemisch erzeugten Kunststoffen ergeben. 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 oder in der Biotonne entsorgt werden, komplizierte und kostspielige Mülltrennungsverfahren wären hinfällig.

All jene oben genannten Produkte werden bereits aus Biokunststoffen erzeugt. Dabei ist jede Farbe und jede Form der Produkte problemlos 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, währeddessen sie bereits zerfallen, untergepflügt werden.

Weiterhin gebräuchlich sind Kunststoffgarne und -bänder zum Hochbinden rankender Pflanzen, etwa Tomaten, 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 problemlos 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, Nägel und Platten verarbeitet. Die wasserempfindliche und schnellauflösende thermoplastische Stärke wird neben Gelatine als Kapselmaterial von Arzneimitteln verwendet. Für Implantate können Materialien mit unterschiedlichen Resorbtionszeiten genutzt werden, die dem jeweilegen Anwendungsfall entsprechend eingetzt werden.

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

Biologischer Abbau

Ein großer Vorteil der meisten Biokunststoffe gegenüber nichtbioabbaubaren Kunststoffen auf Mineralölbasis ist die biologische Abbaubarkeit, die unter geeigneten Bedingungen in einem Zeitraum von ca. 8-12 Wochen vollständig erfolgen kann. Bei der Herstellung können die Materialeigenschaften von Biokunststoffen aber auch so modifiziert werden, dass sie beständig sind und Bioabbaubarkeit kann jedoch auch bei konventionellen Kunststoffen oder Kunststoffgemischen vorhanden sein.

Da Biokunststoffe aus Pflanzen gewonnen werden, setzen sie 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 Produktionsenergien als CO2-neutral einzustufen.

Gesetzliche Regelungen

DIN-Norm EN 13432 zu Kompostierbarkeit

Über die DIN-Norm EN 13432 werden die Richtlinien für biologisch abbaubare Werkstoffe auf europäischer Ebene gereglet. Die Norm legt verbindliche Standards fest, nach denen ein Werkstoff als vollständich 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 über die Zertifizierungsgesellschaft DIN CERTCO.[7]

Verpackungsverordnung der Bundesrepublik Deutschland

Die Verpackungsverordnung (VerpackV) wurde erstmalig 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). 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:[8]

Diese Regelung wird in der fünften Novellierung der Verpackungsverordnung vom 2. April 2008, die am 1. April 2009 in Kraft treten wird, aufgegriffen und erweitert:[10]

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

Marktsituation und Perspektiven

Kunststoffe werden heute überwiegend aus Erdöl hergestellt. Da zumindest in der Kunststofferzeugung der eigentliche Rohstoff einen maßgeblichen Anteil an der Wertschöpfung des Produkts darstellt, ist der Preis des Kunststoffs mittelbar an den Rohölpreis gekoppelt. Insofern schlägt sich eine Preiserhöhung der fossilen Rohstoffe im Preis für Kunststoffe direkt nieder. Vor allem der weltweit steigende Energie- und Rohstoffbedarf sowie politische Instabilität in den Förderländern haben den Preis für Rohöl in den letzten Jahren stark ansteigen lassen, mit einem dauerhaft günstigen Ölpreis auf dem Niveau der 1990er Jahre ist in Zukunft nicht mehr zu rechnen. Vor diesem Hintergrund ist eine Zunahme des bisher geringen Marktanteils für Biokunststoffe abzusehen. Aussagen über die Potenziale von Biokunststoffen sind stark davon abhängig, ob es gelingt, mit positiven Rahmenbedingungen das Interesse der Kunststoff erzeugenden Industrie an Biokunststoffen verstärkt zu wecken. Zusätzliche Anreize könnten Veränderungen der politischen Rahmenbedingungen sowie die Optimierung der bisher am Markt befindlichen Biokunststoffe und die Erweiterung des Anwendungsspektrums erbringen.

Von 14 Mio. Tonnen Verpackungen, die jährlich in Deutschland hergestellt werden, bestehen fast 40 Prozent aus Kunststoff. Rund 1,8 Mio. 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 2 Milliarden Euro für realistisch.[12] Dieser Einschätzung nach ist auch europaweit davon auszugehen, dass etwa die Hälfte der sechs Millionen Tonnen „Wegwerf-Verpackungen“ durch Biokunststoffe ersetzt werden könnten. Aufgrund des ausgeprägten Wettbewerbs auf dem Kunststoffmarkt können Biokunststoffe allerdings aktuell noch nicht mit dem branchenüblichen Preis-Niveau konkurrieren.

2007 lag der Verbrauch an biologisch abbaubaren Biokunststoffen in Westeuropa im Jahr 2007 bei ca. 60.000 – 70.000 Tonnen, was einem Marktanteil von unter 1% entspricht. Die Wachstumsraten sind zweistellig und erreichen in einigen Bereichen bis zu 50% pro Jahr. Schätzungen der weltweiten Produktionskapazitäten für biologisch abbaubare Biokunststoffe für das Jahr 2007 reichen von 265.000 t (nova-Institut) in über 100 Unternehmen. Dabei liegt Europa mit 140.000 t Produktionskapazität vor Nordamerika mit 80.000 t.[13]

Die folgende Tabelle stellt den Einsatz von Biokunststoffen in den wichtigsten Einsatzgebieten Verpackungen, Agrarbereich, Konsumgüterindustrie und Automobilindustrie und deren prognostizierte Entwicklung bis 2020 dar:[12]

Verpackungs- und Lebensmittelindustrie  Agraindustrie, Garten- und Landschaftsbau Konsumgüterindustrie Automobilindustrie
Gesamtmarkt 2005
  • 3,5 Mio. t Kunststoffverpackungen
  • 1,8 Mio t kurzlebige Produkte
  • 230.000 t Gesamtmarkt Landwirtschaft
  • Davon ca. 30.000 t besonders geeignet für Substitution (bgfS)
  • 1,8 bis 2,7 Mio. t. Konsumgüter aus Kunststoff
  • 800.000 t Gesamtmenge Kunststoff in Fahrzeugen
  • ca. 400.000 t Kunststoff als Fahrzeuginnenteile
Biokunststoffe
(in t)
  • 2005: < 15.000 t
  • Prognose 2010: 110.000 t (5% der kurzlebigen Kunststoffe)
  • Prognose 2020: 520.000 t (20% der kurzlebigen Kunststoffe)
  • 2005: < 100 t
  • Prognose 2010: 3.500 t (10% der bgfS)
  • Prognose 2020: 130.000 t (30% der bgfS)
  • 2005: < 100 t
  • Prognose 2010: 24.000 t (1% des Gesamtmarktes)
  • Prognose 2020: 290.000 t (10% des Gesamtmarktes)
  • 2005: < 10 t
  • Prognose 2010: 48.000 t (10% der Fahrzeuginnenteile)
  • Prognose 2020: 230.000 t (40% der Fahrzeuginnenteile)
Biokunststoffe
(in Euro)
  • 2005: < 45 Mio. Euro
  • 2010: 165 Mio. Euro
  • 2020: 780 Mio. Euro
  • 2005: < 300.000 Euro
  • 2010: 5 Mio. Euro
  • 2020: 20 Mio. Euro
  • 2005: < 300.000 Euro
  • 2010: 35 Mio. Euro
  • 2020: 440 Mio. Euro
  • 2005: < 30.000 Euro
  • 2010: 72 Mio. Euro
  • 2020: 350 Mio. Euro
Marktwachstum
(in % p.a.)
  • 2005-2010: > 30%
  • 2010-2020: ca. 16%
  • 2005-2010: > 70%
  • 2010-2020: ca. 15%
  • 2005-2010: > 160%
  • 2010-2020: ca. 29%
  • 2005-2010: > 380%
  • 2010-2020: ca. 17%

Müssig und Carus sehen ein weiteres Wachstum der stärkebasierten Polymerwerkstoffe voraus, wobei sie annehmen, dass der Anteil an Polylactid sowie an Compounds wie Stärke/PLA deutlich höhere Potenziale hat und entsprechend ein stärkeres Wachstum aufweisen wird. Bei der Polyhydroxybuttersäure wird ein Potential vor allem bei Spezialanwendungen gesehen während sich der Markt für cellulosebasierte Polymere aus Kostengründen vollständig auf Spezialanwendungen beschränken wird. Eine zunehmende Bedeutung als Rohstoffe bei der Herstellung von Biokunststoffen wird auch den Pflanzenölen zugesprochen, bei denen sich allerdings kostengünstige Ölimporte gegenüber heimischen Produkten durchsetzen werden.[12]

Einzelnachweise

  1. Zahlen nach Lörcks 2005, Zahlen von 2004
  2. Chris Smith: Natureworks PLA capacity is 70,000tpa. prw.com vom 2007-12-10
  3. Elisabeth Wallner (2002): Herstellung von Polyhydroxyalkanoaten auf der Basis alternativer Rohstoffquellen. Dissertation am Institut für Biotechnologie und Bioprozesstechnik, Technische Universität Graz 2002
  4. Michael Kanellos: Plastic made from pig urine c.net Green Tech Blog vom 22. April 2008
  5. Lori Greiner: Researcher examines polymers created with poultry feathers VirginiaTech New vom 10. April 2008
  6. Christoph Schrader: Duroplaste auf Basis nachwachsender Rohstoffe. In: P. Eyerer et al. 2005; Seiten 1480-1482
  7. Informationen zum Kompostierbarkeitszeichen bei DIN CERTCO
  8. Dritte Verordnung zur Änderung der Verpackungsverordnung vom 24. Mai 2005
  9. Geltende Verpackungsverordnung unter Berücksichtigung der 3. und 4. Änderungsverordnung; Nichtamtliche Fassung des Bundesministeriums für Umweltschutz.
  10. Fünfte Verordnung zur Änderung der Verpackungsverordnung vom 2. April 2008
  11. Verpackungsverordnung unter Berücksichtigung der 5. Änderungsverordnung; Nichtamtliche Fassung des Bundesministeriums für Umweltschutz.
  12. a b c Daten nach Müssig und Carus 2007
  13. Globale Marktsituation der Biokunststoffe. Kunststofforum, 2008-03-08.

Literatur