Biologisch abbaubare Polymere
-Status und Perspektiven-

U. Witt, R.-J. Müller, J. Klein

1. Stand der Entwicklung - Zielsetzung der Studie

Die biologische Abbaubarkeit von Chemikalien, z. B. Waschmittelkomponenten, gilt seit geraumer Zeit als ein wesentlicher Aspekt für deren Klassifizierung unter ökologischen Gesichtspunkten.
Polymere Werkstoffe, im
Resistenz gegenüber Umwelteinflüssen also auch Organismen optimiert. In den letzten Jahren greifen aber auch auf dem Gebiet der Kunststoffe Überlegungen, in bestimmten Bereichen biologisch abbaubare, makromolekulare Werkstoffe (BAWs) zu verwenden.

Schon Ende der 70er Jahre waren erste Ansätze zu verzeichnen, Materialien zu entwickeln, die einerseits Verarbeitungs- und Anwendungseigenschaften aufwiesen wie herkömmliche Kunststoffe (z. B. thermoplastische Verarbeitbarkeit), aber andererseits durch Mikroorganismen abgebaut werden konnten. Einen Schwerpunkt bildeten damals die Arbeiten zu mikrobiellen Polyhydroxyfettsäuren (PHB), die heute unter dem Markennamen BIOPOL vermarktet werden.

Ungefähr zehn Jahre später war eine starke Intensivierung der Aktivitäten auf dem Gebiet der biologisch abbaubaren Kunststoffe zu verzeichnen. Dieser Entwicklungsschub hing ursächlich mit den zunehmenden Problemen der Müllentsorgung zusammen, die insbesondere bei der Behandlung von Kunststoffen offensichtlich wurde (Probleme bei Kunststoffrecycling, illegale Müllexporte, Dioxin-Emissionen bei der PVC-Verbrennung etc.) und bei dieser Materialgruppe alternative Entsorgungsmöglichkeiten versprach (Reduktion von Deponievolumina, Kompostierung).



Der Entwicklungsstand der BAWs zu Beginn der 90er Jahre ist in zwei Studien zusammengefaßt.

1990 wurde eine vom BMFT in Auftrag gegebene Studie des Fraunhofer-Institutes für Lebensmitteltechnologie und Verpackung (ILV) über den Einsatz von biologisch abbaubaren Kunststoffen im Verpackungsbereich veröffentlicht . Wesentlicher Gesichtspunkt war hier, in wieweit die damals in Entwicklung befindlichen BAWs für Produktverpackungen geeignet waren (z. B. Migrationsverhalten, Barriereeigenschaften etc.).









Eine zweite Studie, erarbeitet vom Institut für Kunststofftechnologie der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem Entwicklungszentrum der BUCK-Werke, erschien 1994 im Auftrag der EU-Kommission (E-2, Agrarbereich) . Zielrichtung war in diesem Fall hauptsächlich der Bereich “makromolekulare Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen”, der auch heute noch fälschlicherweise oft mit BAWs gleichgesetzt wird.

Zum momentanen Zeitpunkt ist erneut eine Zäsur in der Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere zu verzeichnen. Als Folge der intensiven Entwicklungsarbeiten existiert nunmehr eine Anzahl von Materialien, denen hinsichtlich des Preises, der Verfügbarkeit als auch der Anwendungseigenschaften eine realistische Marktchance eingeräumt werden kann. Parallel ist ein drastischer Anstieg der Nachfrage seitens der Verarbeiter und Anwender zu verzeichnen, die potentielle Anwendungen von BAWs in verschiedensten Bereichen abdeckt.

Insbesondere durch die derzeitig aktuellen Neuregelungen im Bereich der Müllentsorgung und -verwertung (Kreislaufwirtschaftsgesetz und Abfallgesetz, Novellierung der Verpackungsverordnung, Erarbeitung einer bundeseinheitlichen Kompostverordnung) besteht akuter Handlungsbedarf, eine aktuelle Bewertung biologisch abbaubarer Werkstoffe vor dem Hintergrund dieses Szenarios vorzunehmen.

Neben der Verwendung von bioabbaubaren Werkstoffen (BAWs) in geordneten Entsorgungsstrukturen stellt sich weiterhin die Frage der Umweltsicherheit außerhalb solcher Applikationen ("umweltoffene Anwendungen"). Unter BAWs in diesem Zusammenhang sind Materialien zu verstehen sind, die die selbsttragende Matrix eines Werkstoffes darstellen.

Bisher nur in Ansätzen wurde die Notwendigkeit zur Entwicklung von biologisch abbaubaren Hilfsstoffen (BAH) thematisiert. BAHs sind Polymere, die einem Produkt zugesetzt werden, um dessen Herstellung zu ermöglichen, zu vereinfachen, seine Gebrauchsfähigkeit und Qualität zu verbessern oder seine Lebensdauer zu erhöhen (z. B. Papierhilfsmittel, Flockungsmittel, etc.).

Explizit ausgenommen sind in der vorliegenden Betrachtung Materialien, die für medizinische in vivo-Anwendungen konzipiert wurden (Implantate, Drug-Carrier) und größtenteils auch unter dem Begriff “Bioabbaubare Polymere” zu finden sind. Ebenso wie bei photoabbaubaren Polymeren sind für den Abbau primär keine direkten biologischen Prozesse, sondern chemisch-physikalische Mechanismen verantwortlich.


Die vorliegende Ausführung stellt eine Kurzfassung einer umfangreichen Studie dar . Die Studie hat vor dem Hintergrund oben geschilderter Entwicklung den folgenden Anspruch:

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Zielgruppen:
Forschung
Politik
Industrie
Verbraucher
Aufgabenstellung:
Wissenschaftlich fundierte und aktuelle Grundlage für eine, durchaus kritische, Auseinandersetzung mit den Fragen der Anwendung und Weiterentwicklung von biologisch abbaubaren Polymeren
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Stoffdaten, wissenschaftlich fundierte Grundlageninformationen sowie existierende Defizite sollen Herstellern und Verarbeitern die Grundlage bieten, eine allgemeine Abschätzung der Marktsituation durchführen zu können und gegebenenfalls neue Entwicklungen oder Anwendungen anzugehen. Für die Öffentlichkeit und Politik sind sicherlich Entscheidungshilfen für eine mögliche ganzheitliche Bewertung von BAHs von dominierender Präferenz. Wesentliche Weichenstellungen hängen von diesem Bereich ab, und eine emotional geprägte Diskussion kann langfristig wissenschaftlich betrachtet zu Fehlentwicklungen führen.
Letztlich richtet sich die Studie auch an die Forschung und Forschungsplanung, offenen Fragen zur Weiterentwicklung dieser innovativen Materialien aber auch grundlegenden Fragen des biologischen Abbaus von Polymeren gezielt und effektiv nachzugehen.

2. Themenbereiche

Basis der Studie ist eine Bestandsaufnahme der derzeit auf dem Markt angebotenen bzw. bis nahezu zur Produktionsreife entwickelten BAWs und BAHs. In folgender Tabelle sind die in Form von Datenblättern erfaßten BAWs aufgelistet:



Zusammenstellung kommerzieller BAWs
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1. Natürliche Polymere
Aeromyl-Chips (Südstärke) Biocellat (Aeterna)
BIOCETA (Rhône Poulenc) Bioform (Bioform)
BIOPAC (BIOPAC) Bioplast, Bioflex, Biopur (BIOTEC)
Cellulose 2½ acetat (Courtaulds) Coffi-Collagenfolie (Naturin)
ENVIROphan (4P Folie) FARMfill/ FARMfill (Hubert Loick)
flupisStandard (PSP-Papierschaum Priehs) flupisplus (Zerzog)
Green-PACTM ECO-FOAM (Folag) GÜMO (GÜMO)
High-Amylose Werkstoffe (Frische) MATER-BI (Novamot)
natura (natura) NOVON Aqua-NOVONTM (Novon)
NOVON-plus (Novon) Degra-NOVONTM (Novon)
ÖKOPHAN (Werner Achilles) RENATUR spezial (STOROpack) Sconacell A (BSL) Stärkegef. Verbundwerkstoffe (Buck-Werke) Verpackungspopkorn (Pesika) Wenterra (Wentus)_______________________________________________________________________________________

2. Fermentativ erzeugte Polymere
Biopol (Monsanto)
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3. Fermentativ erzeugte Monomere
EcoPLA (Cargill)
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4. Petrochemische Monomere
BAK 1095 / BAK 2195 (Bayer) Bionolle (Showa Highpolymer)
Block-Copolyesterpolyamid (EMS-Chem.) Copolyester (GBF, BASF, Eastman)
PetroComp (Petroplast) TONE Polymers (Union Carbide)
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Die Studie umfaßt im wesentlichen folgende Themenkreise:

 Relevante Stoffdaten von BAWs und BAHs

Die Daten geben systematisch einen Überblick über:

m Anwendungseigenschaften
m Verarbeitungscharakteristika
m Bioabbaubarkeit



‚ Produktübergreifende generelle Fragestellungen

Wesentliche Weichenstellungen hinsichtlich der möglichen Anwendung von BAPs sind nicht unbedingt im materialspezifischen Bereich begründet. Nachstehend genannte Problemkreise beeinflussen maßgebend die Chancen von BAPs auf dem Markt.

m Einordnung in Stoffströme
m Normierte Tests zur Beurteilung der Bioabbaubarkeit
m Kenntnisse über Abbaumechanismen
m Gesetzliche Rahmenbedingungen
m F&E Förderprogramme
m Akzeptanz bei Verbrauchern und Entsorgern
m Gesamtökologische Bewertung (Ökobilanzen)



ƒ Bewertende Diskussion - Definition von Handlungsbedarf

Die Diskussion und Bewertung orientiert sich dabei differenziert nach der unterschiedlichen Einordnungen von BAPs in ein Stoffstromschema (Abbildung, Seite 6). Vor dem Hintergrund der verfügbaren Daten wird der Aspekt der Anwendungsmöglichkeiten und -potentiale diskutiert.

Einordnung von BAWs in Stoffströme

3. Zusammenfassende Bewertung - Handlungsbedarf

Die stets kritische Diskussion zur Entwicklung von biologisch abbaubaren Polymeren bewegt sich in einem komplexen Umfeld, und die Vermischung unterschiedlicher Argumente führt manchmal eher zur Verwirrung als zur Klarheit.
Um eine Transparenz zu erreichen ist es daher notwendig, die unterschiedlichen Argumentationslinien zu trennen und dabei die konzeptionellen Grundgedanken sowie auch die ganz praktischen Interessenlagen jeweils herauszuarbeiten.
Im einzelnen handelt es sich zusammenfassend um folgende Aspekte:

m Bioabbaubare Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen eröffnen Wege
zu einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft

m Biologisch abbaubare Polymere erschließen neue
Verwertungs- und Entsorgungswege

m Biologisch abbaubare Polymere bilden ein
Innovationspotential für neue Anwendungen

m Biologisch abbaubare Polymere können bei unvollständiger
Abfallerfassung zur Umweltentlastung beitragen

Dabei erscheint es sinnvoll sich bei der Diskussion über biologisch abbaubare Polymere an deren unterschiedliche Einordnung in das Stoffstromschema zu orientieren. Bewertung und Handlungsbedarf unterscheiden sich signifikant für die einzelnen Ansätze zur Verwendung von BAPs. Im folgenden sind die essentiellen Aussagen der Studie zusammengefaßt:



Polymere aus nachwachsenden Rohstoffen als Teile natürlicher Kreisläufe

Bei der Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen für BAPs mit der Zielrichtung geschlossener natürlicher Kreisläufe muß berücksichtigt werden, daß eine Herkunft der Ausgangsmaterialien aus natürlichen Quellen (Polymere oder niedermolekulare Bausteine aus nachwachsenden Rohstoffen) nicht zwingendermaßen mit einer biologischen Abbaubarkeit des Polymeren selbst verbunden ist. Ausschlaggebend hierfür ist alleinig die Struktur der Makromoleküle, die einen effektiven enzymatischen Angriff ermöglichen muß.
Es ist aber dringend erforderlich, daß die vielerseits zu beobachtende, wissenschaftlich nicht begründete Gleichsetzung von „nachwachsenden Rohstoffen“ oder „Biopolymeren“ und der Eigenschaft der Bioabbaubarkeit für eine sachliche Diskussion um die Nachhaltigkeit von Polymeren richtiggestellt und sich hieraus ergebende Fehlentwicklungen vermieden werden.

Im Rahmen von Ökobilanzen ist zu untersuchen, inwieweit der Aufwand des agrarischen Anbaus sowie der Produktisolierung und gegebenenfalls der notwendigen Modifizierung die Vorteile natürlicher Edukte hinsichtlich der CO2-Bilanz wieder zunichte machen.

Die grundlegende, sicherlich nur mittelfristig zu lösende Aufgabe ist in der Konstruktion von Polymerstrukturen zu sehen, die einen möglichst idealen Kompromiß zwischen erzielter Gebrauchs- und Verarbeitungseigenschaft, biologischer Abbaubarkeit und der Nutzung geeigneter nachwachsender Rohstoffe unter Berücksichtigung ganzheitlicher Ökobilanzen darstellt.
Hierzu ist die grundlegende Erforschung der Zusammenhänge zwischen Polymerstruktur und Bioabbaubarkeit eine unbedingt notwendige Voraussetzung. Da neben dem Produktpreis die Funktionalität der Materialien oberste Präferenz für den Verbraucher hat, wird sich bei dem derzeitigen Entwicklungsstand die zumindest temporäre Verwendung von petrochemischen Komponenten in aller Regel als notwendig erweisen.



Kompostierung als alternative Verwertungs- und Entsorgungsstrategie für Kunststoffe

Generell fehlt bislang vielfach eine Bewertung der Kompostierung von BAWs im Vergleich mit anderen Entsorgungsstrategien.
Hersteller und Forschung sind hier gefordert, die notwendigen Daten möglichst kurzfristig zur Verfügung zu stellen und somit Entscheidungsgremien in die Lage zu versetzen, möglichst objektiv BAWs in entsprechende Gesetzte und Verordnungen zu integrieren.

Derzeit findet in vielen Bereichen der Entsorgung eine legislative Umorientierung statt.
In diesem Zusammenhang sollte seitens der Politik unbedingt vermieden werden, daß BAWs aufgrund fehlender oder falsch interpretierter Informationen auf nicht absehbare Zeit die Chance genommen wird, ihre ökologische Sinnfälligkeit unter Beweis zu stellen. Derlei ist z. B. bei der Novellierung der Verpackungsverordnung zu befürchten, in der derzeit BAWs aus fossilen Rohstoffen von der biologischen Verwertung ausgeschlossen werden.

Neben den legislativen Unwägbarkeiten ergeben sich momentan die Hauptprobleme für die Kompostierung von BAWs aus der Zurückhaltung seitens der Kompostanlagenbetreiber. Die Einbringung anthropogener Materialien in die biologischen Verfahren stellt ein offensichtlich zumeist mentales, in zweiter Linie aber auch u. U. ein logistisches Problem dar. Wissenschaftliche Grundlagen, z. B. normierte Bewertungsverfahren bezüglich der Kompostierbarkeit von BAWs, sind vorhanden, so daß hier der Handlungsbedarf insbesondere in einer Informationsarbeit zu sehen ist.

Für BAHs sind insgesamt deutlich weniger Daten verfügbar als für BAWs. Neben Abbauversuchen im Labormaßstab ist das Verhalten von BAHs in einer realen Kläranlage von grundlegender ökologischer Bedeutung. Untersuchungen zum Bioabbau von BAHs unter realen Kläranlagenbedingungen, eventuelle Adorptionserscheinungen an Klärschlamm und das weitere Abbauverhalten in solchen Schlämmen, sind nur ansatzweise vorhanden; in dieser Hinsicht besteht ein signifikantes Forschungsdefizit.

Polymermaterialien mit innovativem Anwendungsprofil

Für eine ganze Reihe von Anwendungen von BAPs steht nicht der Entsorgungsaspekt im Vordergrund, sondern die Eigenschaft der Bioabbaubarkeit eröffnet in Verbindung mit den polymerspezifischen Charakteristika der Materialien neue innovative Anwendungsfelder in Zusammenhang mit der gezielten Einbringung in die Umwelt (z.B. Anwendungen im Agrarbereich, Landschaftsbau). Der Bioabbau erfolgt dabei nicht in einem technisch kontrollierten Prozeß („umweltoffenener Abbau“).

Neben den Herausforderungen der Materialentwicklung selber ist bei einer nicht auf die Entsorgungstechnik fokussierten Anwendung (umweltoffener Abbau) insbesondere Augenmerk bezüglich des Abbauverhaltens in den nicht technisch kontrollierten, und somit auch stark variierenden Umgebungen, zu richten (“umweltsicherer Abbau”).



Vermeidung der Akkumulation von Polymeren in der Umwelt

Aus ökologischer Sicht ist jede Akkumulation von anthropogenen Substanzen in der Umwelt zu vermeiden. Bezüglich des Aspektes des vorsorglichen Umweltschutzes sind ebenfalls Diskussionsansätze bezüglich von BAPs zu verzeichnen.
Im Bereich der Werkstoffe (BAWs) ist hier das sog. „Littering“, das unkontrollierte Wegwerfen von z.B. Verpackungen zu nennen, wobei hier jedoch vor dem Hintergrund eines möglichen „negativen Erziehungseffektes“ deutlich kritische Stimmen zu verzeichnen sind.
Für wasserlösliche Polymere (BAHs) ergeben sich zwar grundsätzlich ähnliche Überlegungen, aber hier sind durchaus Anwendungen möglich, bei denen auch unter Beachtung aller vertretbarer technischer Möglichkeiten ein gewisser Eintrag von Polymeren in die Umwelt nicht vermieden werden kann. Der Einsatz von BAPs könnte hier eine Umweltbelastung mindern.

Wie oben bereits erwähnt besteht hier noch ein Wissensdefizit über das Abbauverhalten von BAHs unter realen Umweltbedingungen im Boden und in Sedimenten.

Für komplexe Materialien könnten weitere Untersuchungen zum Mechanismus des biologischen Abbaus wertvolle Hinweise auf persistente oder potentiell toxische Intermediate des Bioabbaus geben und somit dazu beitragen, daß BAPs umweltsichere Materialien darstellen.

Neben den bereits oben erwähnten Forschungsdefiziten bezüglich des Abbauverhaltens ist insbesondere für den Bioabbau unter Sauerstoffausschluß (anaerob, anoxisch) nur eine sehr begrenzte Anzahl von Daten verfügbar. Hier ist, vor dem Hintergrund der zunehmenden anaeroben Biomüllbehandlung, noch grundlegender Forschungsbedarf zu verzeichnen.