In den letzten Jahren, wenn ich in der Früh die Nachrichten in meinem Handy überflog, sah ich eine unendliche Reihe von Plastik-Müll-Bildern auf unserer Erde. Ob die Babyschildkröte mit einem Plastik-Reifen um den Hals aufwuchs oder der Igel an Bonbonpapieren knabberte, es scheint niemanden zu kümmern.

Inspiriert durch Greta Thunberg

Inspiriert durch Greta Thunberg nahm ich an #FridaysForFuture Märschen in meiner Gegend teil, um auf das Ausmass unseres Nachhaltigkeitsproblems hinzuweisen.

Der entscheidende Moment für diese Arbeit kam während des Lockdowns, als ich eine Gurke fand, die in mehrere Schichten Einwegplastik verpackt war. Die Gurke war sehr gut gegen Viren und äussere Einflüsse geschützt. Könnte die Gurke auch anders verpackt werden mit den gleichen Verpackungseigeneschaften?

Die Lösung: biologisch abbaubare Kunststoffe

Dafür gibt es eine Lösung: biologisch abbaubare Kunststoffe, die aus ihren Polymerstrukturen in natürliche Verbindungen zerfallen. Einige basieren sogar auf organischen Komponenten wie Maisstärke.

Motiviert durch mein neu gewonnenes Wissen schrieb ich eine Forschungsarbeit über die Nachhaltigkeit von biologisch abbaubaren Kunststoffen in der Verpackungsindustrie, die hier in Kurzform zu lesen ist.  

1.0 Vereinte Nationen, WHO, EU und Weltwirtschaftsforum legen Umwelt schonende Entsorgung von Plastik als Priorität für globale Unternehmen fest

Die Vereinten Nationen, das Weltwirtschaftsforum, die Weltgesundheitsorganisation und die Europäische Union haben die Verschmutzung der Umwelt durch Plastik als Priorität für globale Unternehmen festgelegt (Langer et al., 2022). Jährlich werden rund 448 Millionen Tonnen multifunktionale Kunststoffe produziert (National Geographic, 2018) und 44% der Gesamtproduktion in den letzten 22 Jahren [Abbildung 1].

Der weltweite Kunststoffabfall wird sich laut OECD (2022) bis 2060 verdreifachen, und nur alarmierend niedrige 9,1% der weltweit verwendeten Kunststoffe werden wiederverwendet oder recycelt (OECD, 2022).

Kunststoffe sind aufgrund ihrer Barriere-Eigenschaften nicht wegzudenken

Multifunktionale Kunststoffe gibt es in verschiedenen Formen, Formen, Strukturen und Eigenschaften, was Kunststoff eine große Vielfalt in der Verwendung verleiht. Kunststoffe werden in verschiedenen Branchen eingesetzt: Verpackung, Bauwesen, Elektrik, Maschinen, Textilien, Konsumgüter, Kommunikation und mehr (National Geographic, 2019). Über 40% aller Kunststoffe werden für Einweg-Kunststoffverpackungen verwendet (National Geographic, 2018), aufgrund der Barriere-Eigenschaft und der Fähigkeit, Umwelteinflüssen zu widerstehen.

Eine überwältigende Mehrheit von 90% der Verpackungen wird unsachgemäß entsorgt, was zu einer Überlastung von Kunststoffabfällen führt (Forbes Magazine, 2020), die Treibhausgase produzieren, Gewässer mit fossilen Brennstoffen verschmutzen und Land- und Meereslebewesen durch Aufnahme, Ersticken oder Verwicklung schädigen (National Geographic, 2019). Über Jahrzehnte zerfallen herkömmliche Kunststoffe auf natürliche Weise in kleinere Stücke, die als Mikroplastik bezeichnet werden. Dieses Mikroplastik kommt in Böden, Ozeanen, Wäldern usw. vor und gelangt schließlich in die Nahrungskette. Es gibt In-vivo-Hinweise darauf, dass aufgenommenes Mikroplastik die Zellmembran durchdringen und die DNA- und Zellreplikation stören kann, was möglicherweise zu Krebszellen führt (Balasch et al., 2020). In diesem Beitrag wird untersucht, inwieweit biologisch abbaubare Kunststoffe und ihre industrielle Kompostierung eine nachhaltige Alternative zum Polymerrecycling in Österreich sind.

365 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle weltweit jährlich mit 9% Wachstumsrate

Die unbedachte Verwendung und der übermäßige Verbrauch von herkömmlichem Kunststoff verursachen jährlich 365 Millionen Tonnen Kunststoffabfälle, die weltweit kontinuierlich um 9% wachsen (Weltwirtschaftsforum, 2022) [Abbildung 2]. Der Wachstumstrend lässt sich auch bei den österreichischen Kunststoffverpackungsabfällen mit 325.000 Tonnen pro Jahr im Jahr 2020 identifizieren und bis 2025 voraussichtlich auf 360.000 Tonnen pro Jahr wachsen [Abbildung 3] (van Egyen et al., 2019).

Die von den einzelnen Nationen produzierten Kunststoffabfälle pro Kopf unterscheiden sich stark und weisen auf unterschiedliches Marktversagen hin, was zu Plastikverschmutzung in Deponien, Ozeanen und Natur führt, in denen die Materialien über Jahrhunderte langsam zerfallen und Mikroplastik produzieren, das die Ökosysteme vernichtet, Arten vergiftet und Nahrungsketten kontaminiert (Weltwirtschaftsforum, 2022). Diese Aspekte werden beim Kauf von Produkten durch Verbraucher nicht berücksichtigt, was Umwelt- und Gesundheitskosten verursacht, die im Preis der Waren ausgeschlossen sind. Österreich liegt bei 34 kg Plastik pro Kopf (Demeter et al., 2021).

Herstellung von Kunststoffverpackungen

Darüber hinaus ist die Herstellung von Kunststoffverpackungen sehr energieintensiv und erfordert etwa 33 MJ (Energiemenge variiert je nach Polymer) für einen 500-ml-Behälter (Ökologiezentrum, 2020). Zu den Ressourcen, die zur Herstellung herkömmlicher Kunststoffe benötigt werden, gehören endliches Erdöl, Kohle und Erdgase. Ihre Verarbeitung ist umweltschädlich und trägt zur Ressourcenknappheit bei (UNEP, 2019). Ihre Verarbeitung ist umweltschädlich und trägt zur Ressourcenknappheit bei (UNEP, 2019). Treibhausgase wie Kohlendioxid und Methan werden emittiert und können langwellige Infrarotstrahlung absorbieren, die von der Erdoberfläche reflektiert wird, und diese Energie als Wärme in der Atmosphäre wieder abgeben, die zum Klimawandel beiträgt (Supply Chain Solution Centre, 2022). Freigesetzte Stickoxide bauen die Ozonschicht durch einen Reaktionszyklus ab, schwächen die Atmosphäre und ihre Fähigkeit, nachhaltige Temperaturen zu erhalten:

Abbaumethoden von Kunststoffverpackungen

Die derzeit existierenden Abbaumethoden am Ende der Lebensdauer von Polymern (Polymers-End-of-Life-Pathways) umfassen Müllverbrennung, achtloses Wegwerfen (Littering), Deponieablagerung oder Meeresentsorgung, erklärt das Weltwirtschaftsforum (2022). Verbrannt setzt Kunststoff Dioxin, Furane, Quecksilber und polychlorierte Biphenyl Gase frei, die Lungen- und Herzkrankheiten verursachen, die Vegetation kontaminieren und Tiere vergiften können, während sie Energie ineffizient sind (UNEP, 2019). Unsachgemässes Wegwerden verursacht Boden-, Wasser- und Luftverschmutzung durch Toxine, die durch die Sonne verbrannt werden und der Zerfall des Materials im Freien freigesetzt wird (Dormer, 2020). Deponien ermöglichen es Toxinen, in Wasser-Reservoirs zu gelangen oder CH4- und CO2-Gase freizusetzen, die den Treibhauseffekt beschleunigen. Das Abladen des Plastiks im Meer (Ocean Dumping) gefährdet Meereslebewesen und beschleunigt negative Folgen.

2.0 derzeitige Lösung: Kunststoff-Recycling

Als Reaktion auf die Abfallsituation hat die österreichische Regierung Gesetze erlassen, die darauf abzielen, Recyclingströme als ökologisch und wirtschaftlich nachhaltigeres Ende der Lebensdauer von Kunststoffen zu fördern. Recycling beschreibt die Sammlung, Rückgewinnung und Wiederverwendung von Abfällen durch Umwandlung in neue Materialien. ARA ist das bundesweite Abfallstoffverwertungssystem mit dem Ziel, die Gesetze “Abfallwirtschaftsgesetz und Verpackungsverordnung” zu erfüllen (ARA, 2019).

Das ARA-Sammel-, Sortier- und Recyclingsystem basiert darauf, dass abfallproduzierende Unternehmen ihre Verpflichtung zur Abholung ihrer Verpackungen an ARA übertragen. Das System wird durch Gebühren und Erlöse aus recycelten Materialien finanziert, um die Kreislaufwirtschaft in den Markt einzuführen [Abbildung 4]. Die Gebühr hängt von der Materialart und dem Gewicht ab. Aufgrund des geringen Volumens an biologisch abbaubarem Kunststoff wird bei den Gebühren kein Unterschied zu herkömmlichem Kunststoff gemacht (ARA, 2019).

Österreich ist mit dem ARA-System eine der 29 europäischen Nationen, die Teil der Verpackungsrückgewinnungs-organisation PRO Europe sind, die die Verpackungsabfallrichtlinie der Europäischen Union (Pro Europe, 2021) umsetzt. Um die zukünftigen Recyclingziele zu erreichen, sind Investitionen in High-Tech-Sortier- und Recyclingkapazitäten erforderlich und das Erhöhen des Bewusstseins der Verbraucher für die Abfalltrennung (ARA, 2019).

Österreich ist beim Kunststoff-Recycling Vorreiter in der EU

Heute werden in Österreich 31% aller Kunststoffverpackungsabfälle recycelt (Schuch, 2022) und weltweit nur 9,1% recycelt (OECD, 2022). Beide Werte sind weit davon entfernt, das EU-Recyclingziel von 50 % für 2025 (PRO Europe, 2021) zu erreichen, während das Ziel für 2030 bei 55 % liegt (ARA, 2019). Die überwiegende Mehrheit der Kunststoffabfälle befindet sich immer noch in einem bedrohlichen End-of-Life-Prozess, der die ökologische Nachhaltigkeit beeinträchtigt.

3.0 alternative Lösung: biologisch abbaubare Kunststoffe

Es besteht ein wachsender Wunsch, ökologisch nachhaltigere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wie herkömmlicher Kunststoffe zu entwickeln, die jedoch die Nachteile beseitigen. Diese alternativen Kunststoffe versprechen konventionelle Kunststoffeigenschaften und die Fähigkeit, durch industrielle Kompostierung, Heimkompostierung, Meeres- oder Bodendegradation in natürliche Verbindungen zurückzukehren (Neill, 2022).

3.1. Biologischer Abbauprozess

Der biologische Abbau über alle Methoden folgt dem Prozess der Materialfragmentierung, der abiotischen oder biotischen Hydrolyse und der mikrobiellen Biomasseassimilation [Abbildung 5]. Jede Methode beinhaltet leichte Differenzierungen, wandelt den Kunststoff über lebende Mikroorganismen Bakterien, Pilze oder Algen in die natürlichen Grundverbindungen H2O, CO2 und Biomasse um.

3.2 Industrielle Kompostierung

Industrielle Kompostierung bezieht sich auf die großflächige Kompostierung von organisch strukturierten Materialien. Es ist die gebräuchlichste, fortschrittlichste und am weitesten entwickelte Methode des biologischen Abbaus und gilt aufgrund der optimalen Umgebung als die einfachste und erfolgreichste Methode (Neill, 2022).

Die industrielle aerobe Kompostierung ist in fünf Phasen unterteilt, die von der mechanischen Vorbehandlung bis zur Raffination reichen, wobei die thermophile und Reifephase am wichtigsten ist. Zunächst sortiert und entfernt die mechanische Vorbehandlung der Abfälle Giftstoffe. Es folgt eine Prozessaktivierungsphase, in der sich Mikroben an die Umwelt anpassen und sich in ihr bilden. Mesophile (20°- 40°C) Mikroben sterben ab und werden durch thermophile (60°C) Mikroben ersetzt, die in den aktiven Kompostierungsprozess eintreten (Celli et al., 2021).

Die thermophile Phase dauert 21 Tage in einer Temperaturumgebung von 55 ° C bis 60 ° C, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen und bestehende Bindungen zu schwächen. Diese Phase zeigt den intensiven und schnellen Abbau des Abfalls (Celli et al., 2021). Die Befeuchtung und Belüftung des Abfalls ermöglicht es einer Vielzahl von Mikroorganismen, auf dem Abfall zu wachsen. Die anfänglichen Exoenzyme wirken auf die Oberfläche des Polymers, um die Polymerketten während eines hydrolytischen exothermen, extrazellulären Prozesses in kürzere Ketten zu zerlegen. Bian et al (2020) beschreiben die industrielle Kompostierung als ” «zipper-like undoing mechanism» an den Enden der Moleküle.  

3.2.1 Industrielle Kompostierung von PLA – chemische Betrachtung

Hydrolytische Kettenscheren und Hauptkettenspaltungen sind die beiden Abbauwege. Bei hydrolytischen Kettenspaltungen zielt ein H2O-Molekül auf die Esterbindung zwischen Monomeren ab und spaltet es in zwei Teile, indem es einen Wasserstoff an den doppelt gebundenen Sauerstoff und das verbleibende Hydroxid an den Kohlenstoff bindet [Abbildung 6a]. Während der Hauptkettenspaltungen überträgt sich ein Wasserstoff aus dem Inneren des Polymers auf den doppelt gebundenen Sauerstoff in der Esterbindung zu Milchsäure und einem vinylkonterminierten Ester [Abbildung 6b]. Beide heterogenen Reaktionen treten bei einer Aktivierungsenergie von etwa 140kJ mol-1 auf, einer relativ geringen Aktivierungsenergie, die einen regresseffizienten Prozess ermöglicht. Die Reaktion ist exotherm, was zur Wärmeproduktion in den Kompostierungsanlagen führt (Jones und McKoewn, 2020). Die erodierten depolymerisierten Polymerketten werden über mikroorganismische metabolische Zellatmungswege assimiliert, um CO2, H2O und Biomasse gemäß der folgenden Gleichung zu erzeugen. 

Zu den wichtigsten Überlegungen beim Vergleich von Recycling und industrieller Kompostierung gehören die Verfügbarkeit der Infrastruktur, die Kosten des Prozesses sowie die Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit. Infrastruktur, Maschinen und Sammelsysteme, die für die Nutzung industriell kompostierbarer Kunststoffe erforderlich sind, existieren heute nicht landesweit (Hauke, 2022). Die bestehenden Sammelsysteme und Recyclinganlagen können nicht für biologisch abbaubare Kunststoffe verwendet oder mit ihnen vermischt werden, da dies die bestehenden Prozesse stört und zu Kontaminationen führt (Hampel, 2022).

Obwohl die Sammelkosten für Kompostierung und Recycling identisch sind, ist die Sortierung von industriell kompostierbaren Kunststoffen teurer und der Prozess der Kompostierung ressourcenintensiver (Land, Wasser, Energie) und dauert länger, was zu höheren Opportunitätskosten führt (Lafond, 2022). Es werden jedoch keine expliziten finanziellen Kosten für beide Prozesse von ARA, Tetra Pak oder Mondi Groupe veröffentlicht, um auf dem Recyclingmarkt wettbewerbsfähig zu bleiben, und es gibt keine landesweiten industriellen Kompostieranlagen.

Derzeit besteht nur 1% des Verpackungsmaterials aus Biokunststoff (Umweltministerium Republik Österreich, 2021). Lafond (2022) und Hampel (2022) erklären, dass biologisch abbaubarer Kunststoff wie PLA in einigen spezifischen Märkten (z. B. Fertiggerichte) eingesetzt werden kann, jedoch nicht skaliert werden kann, um alle Verpackungen zu ersetzen, da die mit dem Prozess verbundenen Kosten die aktuellen Vorteile überwiegen. Der Marktdruck zur Umstellung auf biologisch abbaubare Kunststoffverpackungen besteht nicht in dem Maße, in dem Unternehmen dies berücksichtigen. Basierend auf der Analyse scheint das Polymerrecycling heute die realistischere Lösung zu sein.

4.0 Grossflächige Implementierung der industriellen Kompostierung von Kunststoffen heute noch nicht rentabel

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die gezeigten Beweise und Analysen darauf hindeuten, dass die industrielle Kompostierung theoretisch eine nachhaltige Alternative zum Kunststoffrecycling darstellen kann, in der Praxis erfordert der Prozess jedoch eine weitere Entwicklung, um eine effiziente Umsetzung auf dem Markt zu gewährleisten. Die Kosten, die mit der großflächigen Implementierung der Technologie, ihrer Anwendung und den tatsächlich biologisch abbaubaren Kunststoffen verbunden sind, sind heute nicht rentabel.

Auf lange Sicht wird der Verpackungsmarkt gezwungen sein, nach neuen Technologien zu suchen, um die Umweltschäden drastisch zu minimieren, und die industrielle Kompostierung von biologisch abbaubarem Kunststoff spielt dabei eine Rolle. Das unschädliche Ende der Lebensdauer von sich natürlich zersetzendem Plastik bietet erhebliche Vorteile, insbesondere für nicht recycelbare Verpackungen. Die Frage sollte nun sein, wie können biologisch abbaubare Kunststoffe und deren industrielle Kompostierung neben dem Recycling am besten für nicht recycelbare Verpackungsartikel, wie z.B. in der Fertiggerichtindustrie, eingesetzt werden.

Autorin

Sophie-Marie Pasewald, Honors Student der International School Lausanne, maturiert Mai 2023.