Biokunststoffe Allgemein
Aufgrund der steigenden Preise für Rohöl und Energie sowie dem damit verbundenen Bewusstwerden, dass die fossilen Vorräte endlich sind, setzte im ausgehenden 20. Jahrhundert ein Trend zur Entwicklung von Kunststoffen aus nachwachsenden Rohstoffen ein. Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen werden immer mehr bei der Kunststoffherstellung eingesetzt. Heute können daher in vielen Bereichen klassische thermoplastisch verarbeitbare Werkstoffe wie Polyethylen (PE) oder Polyethylenterephthalat (PET) durch Kunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe wie Polylactid (PLA), Polyhydroxyalkanoate (PHA), stärke- oder ligninbasierte Compounds ersetzt werden.
Definition und Einteilung der Biokunststoffe
Biokunststoffe werden technisch-chemisch auch Biopolymere genannt. Ein Biopolymer ist ein chemischer Stoff, der in der Zelle eines Lebewesens synthetisiert wird. Häufig wird der Begriff Biopolymer auch zur Unterscheidung von Werkstoffen benutzt. Eine einheitliche Definition für technische Biopolymere gibt es heute noch nicht. So werden darunter z. B. Werkstoffe zusammengefasst, die aus biogenen Rohstoffen (nachwachsenden Rohstoffen) bestehen und/oder biologisch abbaubar sind (biogene und biologisch abbaubare Polymere). Biokunststoffe werden lediglich in 3 Hauptgruppen unterteilt:
- biobasierte (aus nachwachsenden Rohstoffen stammende) und biologisch abbaubare Materialien
- aus fossilen Ressourcen (Erdöl) stammende und biologisch abbaubare Materialien
- Nachhaltige biobasierte (nicht biologisch abbaubare) Materialien
Eigenschaften der Biokunststoffe
Biokunststoffe haben ähnliche Eigenschaften wie konventionelle Kunststoffe, sie unterscheiden sich allerdings im Rohstoffursprung und/oder der Persistenz in der Umwelt. Die weitere Einteilung in vier Gruppen erfolgt nach den Eigenschaften Abbaubarkeit und Rohstoffursprung.
Biologische Abbaubarkeit von Biokunststoffen
Die Definition der biologischen Abbaubarkeit ist einheitlich geregelt. Ein Stoff gilt als biologisch abbaubar, wenn er durch Mikroorganismen in Anwesenheit von Luftsauerstoff zu Kohlendioxid, Wasser, Biomasse und Mineralien sowie unter Luftabschluss zu Kohlendioxid, Methan, Biomasse und Mineralien zersetzt werden kann, wobei zunächst kein Zeitraum für den Abbau definiert ist. Der eigentliche Abbau eines bioabbaubaren Materials erfolgt durch spezielle Mikroorganismen (oft Pilze), deren extrazellulären Enzyme zunächst die Polymerketten des Materials in kleine Teile zerlegen und so zugänglich machen. Diese Bruchstücke werden dann von anderen Mikroorganismen – ggf. auch zusammen mit weiterem organischem Material – zu Wasser und Kohlendioxid (Methan) abgebaut oder zum Aufbau von Biomasse genutzt. Für die Bioabbaubarkeit eines Polymers ist dabei neben der chemischen Zusammensetzung auch dessen molekulare Struktur (z.B. der Kristallinitätsgrad) maßgeblich. Chemisch ein- und derselbe Kunststoff kann sich daher hinsichtlich seiner Abbaubarkeit deutlich unterscheiden.
Rohstoffursprung von Biokunststoffen
Die Rohmaterialien für die abbaubaren Stoffe sind entweder biobasiert aus nachwachsenden Rohstoffen oder petrochemisch aus Erdöl. Die nicht abbaubaren Stoffe sind langlebige Kunststoffe, die vollständig oder teilweise biobasiert sein müssen, damit sie als Biokunststoff klassifiziert werden können. Beispiele für biobasierte Kunststoffe sind:
- Bio-PE (biobasiertes Polyethylen)
- Bio-PET (biobasiertes Polyethylenterephthalat)
- CA (Celluloseacetat)
- PLA (Polylactide, Polymilchsäure)
Die Ausgangsmaterialien für biobasierte Kunststoffe sind z. B. Stärke aus Mais, Zucker aus Zuckerrohr und Zuckerrüben, Pflanzenöle wie Rizinusöl, Cellulose aus Baumwolle oder Holz. Grundsätzlich werden sowohl biobasierte als auch abbaubare Kunststoffe als Biokunststoffe bezeichnet. Bei der Formulierung „biobasiert“ wird der Eindruck erzeugt, dass es sich bei dem Ausgangsmaterial um nachwachsende Rohstoffe handelt. Dieser Rohstoffursprung am Anfang des Lebenszyklus bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass am Ende auch eine biologische Abbaubarkeit gegeben ist. Beispielsweise sind Kautschuk oder Celluloseacetat biobasierte Kunststoffe, sie sind aber nicht biologisch abbaubar. Umgekehrt können auch bioabbaubare Kunststoffe aus Erdöl hergestellt werden; die Abbaubarkeit wird durch die spätere chemische Struktur bestimmt, und nicht ausschließlich durch den Rohstoffursprung. Biokunststoffe sind aber nicht zwangsläufig immer biobasiert, sondern ggf. auch petrochemisch. Gegenwärtig sind Biokunststoffe noch ca. 20% teurer als herkömmliche Kunststoffe. Mittel- bis langfristig werden Erdölbasierte Kunststoffe aufgrund der Rohstoffverknappung teuer, und biobasierte Kunststoffe aufgrund der Skalierungseffekte günstiger werden.