RZ Biokunststoff 051205 - nova-Institutenova-institut.de/news-images/20060530-11/pdf_224biokunststoff_2006.pdf · dann Nylon, Perlon, Polystyrol und Teflon (1930 – 1950). Schließlich

Biokunststoffe

nachwachsende-rohstoffe.de

Herausgeber

Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)Hofplatz 1 • 18276 Gü[email protected] • www.fnr.de

Mit finanzieller Förderung des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

Pflanzen Rohstoffe Produkte

RZ_Biokunststoff_051205 05.12.2005 15:14 Uhr Seite 1

Biokunststoffe – was ist das eigentlich? 4

Rohstoffe – die Stärke(n) der Natur nutzen 9

Biokunststoffe – ein Steckbrief 11

Kunststoffe – vom Rohstoff zum Endprodukt 20

Kunststoffe – Verarbeitungsverfahren 22

Verwendungsbereiche – wo können Biokunststoffe punkten? 26

Gesetzliche Rahmenbedingungen 32

Potenzial und Perspektiven 34

Weiterführende Literatur 38

Internet-Informationsquellen 39

Glossar Biokunststoffe 40

Quellenangaben 45

Herausgeber:Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)Hofplatz 1 • 18276 Gü[email protected] • www.fnr.de

Mit finanzieller Förderung des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz

Autor:Jürgen Lörcks, Unternehmensberatung [email protected]

Redaktionelle Bearbeitung: Barbara Wenig (FNR)

Bilder: Apack AG, BASF, Cargill Dow, Cargill Saaten, Cater-Back,Compopure, CMA, Dincertco, Dr. Boy GmbH & Co. KG,Eastman, Fuchs Petrolub AG, Hans Weber MaschinenfabrikGmbH, ITG Hannover, natura Verpackungs GmbH, NovamontGmbH, Storopack, Swisspack, Tegut Kassel, Union zurFörderung von Oel- und Proteinpflanzen e. V.

Gestaltung und Realisierung:WPR COMMUNICATION GmbH & Co. KG

2005

InhaltsverzeichnisImpressum

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Kunststoffe sind sehr stabil, lassen sichvielfältig verarbeiten und sind außerdemleichter und billiger als die meistenanderen Materialien. Deswegen sind siein vielen industriellen und gewerblichenAnwendungen erste Wahl.

Die Statistik macht es eindrucksvoll deut-lich: die Kunststoffindustrie beschäftigtmehr als eine Million Menschen in West-europa und setzt jährlich 135 BillionenEuro um. Von den dort erzeugten 53,2 Mio.Tonnen Kunststoffen stammt etwa einDrittel aus Deutschland. Nicht nur für Ver-packungen (27 Prozent) und Baumateria-lien (27 Prozent), sondern auch zur Auto-mobil- und Möbelherstellung sowie vonder Elektroindustrie und der Haushalts-warenherstellung werden sie benötigt.

Dementsprechend steigt der Verbrauchkontinuierlich an; weltweit von 60 Mio.Tonnen im Jahr 1980 auf voraussichtlich260 Mio. Tonnen im Jahr 2010.

Kunststoff ist allerdings nicht gleich Kunst-stoff: während duroplastische Kunststoffenach dem Aushärten für immer fest blei-ben, lassen sich thermoplastische durchErwärmen verformen. Diese thermo-plastischen Kunststoffe sind mit einemMarktanteil von 80 Prozent am weitestenverbreitet. Elastomere, eine weitere Gruppe

Biokunststoffe – was ist das eigentlich?

Verpackungschips aus Stärke – Schutz fürkostbare Fracht

her verwendeten fossilen Kunststoffe undPlastikmaterialien in vielen Anwendungenersetzen. Kreative Wissenschaftler undTechnologen passen sie derzeit nicht nurkonventionellen Maschinen an, sondernerschließen außerdem neue Verwen-dungsmöglichkeiten. So sind Verpa-ckungen, Einweggeschirr oder Blumen-töpfe aus Biokunststoff bereits heuteerhältlich.

Je nach Erfordernis garantieren einigeBiokunststoffe eine lange Gebrauchs-dauer, andere sind biologisch abbaubarund zerfallen in natürlich vorkommen-de, ungiftige Ausgangsprodukte. Mikro-organismen wie Pilze, Bakterien undEnzyme sorgen dafür, dass nur nochWasser, Kohlendioxid und Biomasse übrigbleiben, die von der Natur weiter ver-wertet werden. Egal, ob Biokunststoffenach Gebrauch in die Biogasanlage wan-dern, thermisch verwertet oder kom-postiert werden: Aus Pflanzen gewonneneWerkstoffe setzen nach ihrem Gebrauchnur soviel CO2 frei, wie diese währendihrer Wachstumsphase aus der Atmosphäreentnommen haben.

Im Gegensatz zu fossilen Rohstoffensind sie also weitgehend CO2-neutral,Stoff- und Energiekreislauf sind ge-schlossen. Werden Biokunststoffe amEnde der Verwendung thermisch ver-wertet, sorgen sie zusätzlich noch fürklimaneutrale Energie. Die Umweltvor-

teile dieser Kreislaufwirtschaft liegenauf der Hand.

Biokunststoffe haben aber nicht nur öko-logische Vorteile. Sie helfen außerdemfossile Rohstoffe schonen und verrin-gern unsere Abhängigkeit vom Erdöl:Eine Chance, die wir in Zeiten ständigsteigender Preise fossiler Rohstoffe auchaus wirtschaftlichen Gründen nichtaußer Acht lassen sollten.

Im Interesse des nachhaltigen Wirtschaf-tens ist die Entwicklung der Biokunst-

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dehnbarer oder gummielastischer Kunst-stoffe, werden im Rahmen dieser Broschürenicht behandelt.

Als Biokunststoffe (englisch „bioplastics“)bezeichnet man innovative Kunststoffe,die aus nachwachsenden Rohstoffenhergestellt werden. Sie können die bis-

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Vom Rohstoff zum Endprodukt


Eigenschaft des Celluloseprodukts wirktsich nachteilig aus: wegen seiner Wasser-empfindlichkeit und Wasserdampfdurch-lässigkeit muss es mit Polyvinyliden-chlorid beschichtet werden und verliertdadurch seine biologische Abbaubarkeit.

Die ersten Kunststoffe gerieten im Laufeder weiteren Entwicklung bald ins Hinter-treffen; fossile Rohstoffe rückten in denMittelpunkt des Interesses. Die Forschungenin der organischen Chemie führten zurEntdeckung von Bakelite (1907), Acryl-glas (besser bekannt als Plexiglas, 1930),dann Nylon, Perlon, Polystyrol und

Teflon (1930 – 1950). Schließlich gelangab 1956 die großtechnische Herstellungder heutigen Standardkunststoffe Poly-ethylen (PE) und Polypropylen (PP). Mitder industriellen Herstellung von Kunst-stoffen entwickelten sich im Lauf der Jahrevielfältige Verfahrenstechniken zu ihrerVerarbeitung.

Erst ab 1980 setzen Forschung und Ent-wicklung von Biokunststoffen wiederein. Erneuerbare Rohstoffe, geschlosseneStoffkreisläufe und Kompostierbarkeitsind nun die entscheidenden Argumente.Ein sprunghafter Anstieg der Patent-aktivitäten ist als Indiz für die enormenForschungsaktivitäten und zukünftigenMarktmöglichkeiten der Kunststoffindus-trie auf dem Gebiet der modernen Bio-kunststoffe zu bewerten.

stoffe derzeit in vollem Gang. Das warnicht immer so, wenngleich sie in denAnfängen der Kunststoffgeschichte einewichtige Rolle spielten. Denn die erstenMassenkunststoffe wurden durch che-mische Umwandlung von Naturstoffengewonnen. 1869 eröffneten die GebrüderHyatt (USA) ihre erste Fabrik zur Her-stellung von Celluloid, einem thermo-plastischen Kunststoff. Damit beganndas Zeitalter der Kunststoffe. Ein Preis-ausschreiben gab damals den legendärenAnstoß für die Entwicklung eines Kunst-stoffes, der das teure Elfenbein in denBillardkugeln ersetzen sollte. Celluloid

aus Cellulose – einem Holzbestandteil –und Campher machte das Rennen undwurde rasch auch für Filme, dekorativeManufakturware, Brillengestelle, Kämme,Tischtennisbälle und andere Produkteverwendet. Moderne Thermoplaste habendas leicht entflammbare Material heutejedoch fast völlig verdrängt.

Etwa 1923 setzte die Massenproduktionvon Zellglas ein, einem weiteren Kunst-stoff aus nachwachsenden Rohstoffen.Die Herstellung der glasklaren und knis-ternden Zellglasfolien ist jedoch teuerund daher stark rückläufig. Eine weitere

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• Die Anzahl der Patente und Patentan-meldungen auf dem Gebiet der moder-nen Biokunststoffe von 1980 bis heutezeigt einen deutlichen Anstieg in denForschungs- und Entwicklungsarbeitender Industrie und der Institute.

• Die überwiegende Anzahl der Patentebefasst sich mit Biokunststoffen auf derBasis nachwachsender Rohstoffe, jeweilszur Hälfte mit Stärkekunststoffen und mitnatürlichen Polyestern.

• Nur etwa 25 – 30 Prozent der Patentebetreffen petrochemische Kunststoffe.

Zellglas – glasklares Celluloseprodukt


Biokunststoffe lassen sich zwar aus sehrvielen pflanzlichen Rohstoffen herstellen,die Stärke nimmt dabei jedoch eineSchlüsselrolle ein. Eine gewisse Bedeutunghaben daneben noch Cellulose und Zucker.

Stärke

Stärke ist für die Entwicklung und Her-stellung von Biokunststoffen wohl derinteressanteste Rohstoff. Denn sie ist nichtnur überall verfügbar, sondern bietet auchein besonders gutes Preis-Leistungs-Ver-hältnis. In Form von mikroskopisch klei-nen Körnern ist sie in zahlreichen Pflan-zen gespeichert. Während Mais, Weizenund Kartoffeln in Europa, Amerika undSüdafrika die wichtigsten Stärkelieferan-ten sind, greift man in Asien vorwiegendauf Tapioka zurück. Industrielle Verfahrentrennen Beiprodukte wie Proteine, Öleoder Pflanzenfasern ab, so dass nur diehochreine Stärke übrig bleibt. Auch stärke-haltige Mehle sind für die Herstellung vonBiokunststoffen und biologisch abbau-baren Produkten vielfach gut geeignet.

Stärke gehört wie die Cellulose chemischzu den Kohlenhydraten. Sie setzt sich auszwei Komponenten zusammen. Das ver-zweigt polymerisierte Amylopektin, derHauptbestandteil der Stärke, umhüllt die

unverzweigte Amylose. Weltweit wer-den heute jährlich über 45 Mio. TonnenStärke industriell erzeugt, davon knapp10 Mio. Tonnen in Europa und knapp 2 Mio. Tonnen in Deutschland. Fast dieHälfte davon fließt mittlerweile in techni-sche Anwendungen, ein hoher Anteil dererzeugten Stärke wird unmittelbar inkontinuierlichen, biotechnologischen Ver-fahren in Glucose, auch Stärkezuckergenannt, umgewandelt.

Für die Herstellung von Biokunststoffenist nicht nur das Polymer Stärke selbstbedeutsam, auch ihr Monomer, die Glu-cose, findet Verwendung. In biotechno-logischen und/oder chemischen Verfahrenmacht man daraus thermoplastische Poly-ester und Polyurethane. Als besonderspreisgünstige Rohstoffe spielen auch dieMüllereierzeugnisse Mehl und Grießsowie Pellets oder Pulver aus Getreide,Kartoffeln oder Mais in bestimmtenAnwendungen eine Rolle. Nebenprodukteaus der Stärkeindustrie können zudemals Rohstoffe für Fermentationsverfahrengenutzt werden.

Cellulose

Cellulose ist in den meisten Pflanzen ingroßer Menge enthalten. Bei Baumwolle

Der Aspekt der Nachhaltigkeit spielt seitder Konferenz in Rio und den lokalenAgenda-21-Prozessen eine wichtige Rolle.Technische Innovationen im Sinne derKreislaufwirtschaft gewinnen an Bedeu-tung. Denn sie nutzen abfallarme undressourcensparende Rohstoffe und Pro-duktionsverfahren sowie ein naturnahesRecycling durch Kompostierung oderVergärung, gekoppelt mit Energiege-winnung. Biokunststoffe tragen nichtnur dazu bei, dass begrenzte Vorräte anfossilen Rohstoffen geschont werden,

sondern sichern mit ihrem Bedarf anheimischen Rohstoffen darüber hinausArbeitsplätze in der Landwirtschaft.Nachhaltige Technologien werden ent-wickelt und umgesetzt und bietenChancen für den späteren Ausstieg ausdemnächst überholten oder veraltetenTechnologien.

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Rohstoffe – die Stärke(n) der Natur nutzen


224 Mio. Tonnen Kunststoffe wurden imJahr 2004 weltweit verbraucht, mehr alsdoppelt soviel wie zehn Jahre zuvor. ImJahr 2010 sollen es dann schon 260 Mio.Tonnen Kunststoffe sein, die die Mensch-heit benötigt. Der Kunststoffmarkt ist alsoein echter Massenmarkt, an dem Europamit fast einem Viertel einen erheblichenAnteil hat. Für derzeit 17,5 Mio. Tonnenoder gut acht Prozent sind deutscheVerbraucher verantwortlich. Allein die

Verpackungsindustrie benötigt ein Viertelder als Granulat gehandelten Kunststoffe:in Europa sind es 9 Mio. Tonnen, inDeutschland 3 Mio. Tonnen.

Nicht nur die Rohstoffherstellung (60.000Beschäftigte) und -verarbeitung (290.000Beschäftigte), sondern auch der Kunst-stoffmaschinen- und -anlagenbau bin-den zahlreiche Arbeitskräfte. Im Jahr2004 erwirtschafteten die 50 deutschen

Biokunststoffe – ein Steckbriefbeträgt ihr Anteil ca. 95 Prozent, bei Hartholz40 – 75 und bei Weichholz 30 – 50 Prozent.Neben Holz ist Cellulose der mengen-mäßig bedeutendste nachwachsendeRohstoff – weltweit werden jährlich etwa1,3 Mrd. Tonnen für technische Anwen-dungen „geerntet“. Allerdings sindchemische Verfahren nötig, um dieCellulosefasern von unerwünschten Be-gleitstoffen wie Lignin und Pentosen ab-zutrennen. Das Endprodukt Zellstoffwird hauptsächlich zur Herstellung vonPapier und Pappe, aber auch für Textilienwie z. B. Viskosefasern verwendet.

Die Cellulose bietet jedoch auch für dieKunststoffherstellung Potenzial. Cellulose-ester beispielsweise sind amorphe Thermo-plaste, die spezielle Weichmacher ent-halten oder mit anderen Polymerenmodifiziert sind. Sie zeichnen sich durchhohe Zähigkeit aus und werden häufigals Polymerkomponente zur Compoun-dierung mit weiteren Biokunststoffenverwendet.

Auch die klarsichtige Cellophanfolie fürVerpackungen, auch Zellglas genannt, istein Celluloseprodukt. Sie hat ihren ehe-mals hohen Marktanteil heute jedoch andie deutlich billigeren Polypropylen-Folien verloren.

Zucker

Zucker (auch Saccharose) aus Zucker-rüben oder Zuckerrohr ist ein Disaccharidund der Stärke als Rohstoff in vielen Be-langen ebenbürtig. Weltweit wurden imJahr 2000 etwa 130 Mio. Tonnen Zucker(davon drei Viertel Rohrzucker) erzeugt,in der EU waren es 17 Mio. Tonnen. DaZucker technisch vielfältig einsetzbar ist,bietet seine Nutzung als nachwachsenderRohstoff interessante Perspektiven.

Was sonst noch Potenzial birgt

Zahlreiche weitere natürliche Rohstoffewie beispielsweise• Casein, ein Protein aus Magermilch• Chitin und Chitosan aus Krabbenschalen• Gelatine, ein Kollagen-Protein

aus tierischen Knochen oder Haut• Pflanzenöle und• Proteine aus Getreide (Weizen oder Mais)

kommen für die Entwicklung und Her-stellung von Biokunststoffen in Frage.Epoxidkunststoffe aus Leinöl beispiels-weise sind den synthetischen Epoxidenbereits qualitativ ebenbürtig.

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rend im Bereich der Biokunststoffe. Umnative Stärke zum thermoplastischenWerkstoff zu machen, müssen natürlicheWeichmacher und Plastifizierungsmittelwie Glycerin oder Sorbitol beigegebenwerden.

Die Mischung erfolgt im Extruder, einerspeziellen Mischmaschine: ein Motorbetreibt eine oder häufig zwei Schnek-ken (Doppelschneckenextruder) inner-halb eines beheizbaren Zylinders. DieRohstoffe werden darin vermischt,erwärmt und in eine homogene Schmel-ze überführt, aus der das Wasser ent-fernt wird.

Ein Kühlwassersystem (siehe obige Ab-bildung) sorgt für stabile Temperatur-verhältnisse.

Am Ende des Extruders tritt die geschmol-zene, thermoplastische Stärke als Strangdurch eine Düsenplatte aus und wirdnach dem Abkühlen granuliert.

Da das Endprodukt, die thermoplastischeStärke, nun keine kristallinen Anteilemehr enthält, ist sie für die Vermischungmit weiteren Polymerkomponenten bestensgeeignet. Letztere werden meist zur Ver-besserung der Materialeigenschaften zu-gesetzt, denn thermoplastische Stärke neigt

Unternehmen der kunststofferzeugen-den Industrie immerhin 19,9 Mrd. EuroUmsatz, dazu kommen noch 43,6 Mrd.Euro Umsatz der 2.800 Betriebe derKunststoffverarbeitung. Zu den dorthauptsächlich verarbeiteten Rohstoffenzählen die aus der Kennzeichnung vonVerpackungen bekannten MaterialienPE (Polyethylen), PS (Polystyrol), PP (Poly-propylen) und PVC (Polyvinylchlorid).

Da die dafür erforderlichen Chemieroh-stoffe wie Ethylen, Propylen und Styrolaus Erdöl und Erdgas gewonnen werden,sind sie den damit verbundenen Preis-schwankungen unterworfen. Pro TonnePE, PS, PP oder PVC zahlt die Industrieheute rund 1.000 bis 1.500 Euro.

Wer alternativ auf Biokunststoffe zurück-greifen will, muss heute allerdings deutlich

tiefer in die Tasche greifen: Materialienaus nachwachsenden Rohstoffen kostenetwa zwei- bis viermal soviel wie Stan-dardkunststoffe. Denn erst seit wenigen Jahren arbeitet dieForschung daran, Kunststoffe aus Stärke,Cellulose oder Zucker herzustellen. Und dieEntwicklung neuer Verfahren und Materia-lien kostet viel Zeit und Geld. Zudemwerden Biokunststoffe bisher noch in sehrkleinen Mengen hergestellt, was ihreProduktion verhältnismäßig kostspieligmacht. Kein Wunder also, dass Biokunst-stoffe heute noch erheblich teurer sindals ihre fossilen Konkurrenten.

Preise vergleichbar denen herkömm-licher Kunststoffe sind jedoch nur eineFrage der Zeit. Denn dazu wird es kom-men, sobald die Produktion der Bio-kunststoffe in großtechnischen Mengenund Anlagen anläuft. Heute stehenWerkstoffe aus nachwachsenden Roh-stoffen jedoch noch am Anfang der indu-striellen Umsetzung. Am gesamten welt-weiten Kunststoffmarkt ist ihr Anteil mitrund 250.000 Tonnen pro Jahr ver-schwindend gering.

Thermoplastische Stärke

Die 1988 erfundene thermoplastischeStärke (EP 0397819) war bis zur Jahrtau-sendwende mit einem geschätztenMarktanteil von etwa 80 Prozent füh-

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Produktvielfalt aus Biokunststoffen

Prinzipskizze der Einzugszone eines Extruders


werden. Diese Verfahren haben sich aberwegen der damit verbundenen hohenKosten noch nicht durchgesetzt.

Milchsäure

Milchsäure ist ein Zwischenprodukt, dasdurch Fermentation aus Zucker oder Stärke

entsteht. Mikroorganismen wie Milch-säurebakterien werden dazu industriellgenutzt. Denn ihnen muss die Glucoseschmecken, damit sie sie zu Milchsäurevergären. Zu Polymilchsäure (oder Poly-lactid (PLA)) polymerisiert, bietet Milch-säure aufgrund seiner Vielfalt ungeahntePerspektiven für die Herstellung vonBiokunststoffen.

Das Monomer Milchsäure kommt in zweiunterschiedlichen Isomeren vor, der D- undder L-Form. Je nach Verknüpfung dieserIsomere können drei unterschiedlicheLactide entstehen: das Meso-Lactid, dasD-Lactid und das L-Lactid. Diese Varia-bilität macht sich der Chemiker zunutze.Bei der Polymerisierung kombiniert er dieLactide so, dass der daraus gewonnenePLA-Kunststoff die von ihm gewünschtenEigenschaften hat. Die Reinheit der Aus-gangsstoffe ist entscheidend für die erfolg-reiche Polymerisation und zugleich öko-nomischer Knackpunkt des Verfahrens,denn bislang ist die Reinigung der aufdem Fermentationsweg hergestelltenMilchsäure relativ aufwändig.

Erweitert wird das Spektrum der mög-lichen Kunststoffe durch die Copolymeri-sation von PLAmit weiteren Monomerenwie beispielsweise Glykolsäure. Ob zähoder viskos: die daraus gewonnenenCopolymeren können so ziemlich jedeEigenschaft haben.

dazu Wasser aufzunehmen, wodurchdie Oberfläche klebrig wird und sich diephysikalischen Eigenschaften je nach Klima-bedingungen ändern. Eine Verwendungin der reinen Form als Werkstoff beschränktsich daher auf Nischenanwendungen wiez.B. als Kapseln für Medikamente in derPharmaindustrie.

Kunststoffblends

Thermoplastische Stärke ist nur eine derKomponenten, aus der moderne Stärke-kunststoffe hergestellt werden. Der zweiteGrundbestandteil der sogenannten Kunst-stoffblends sind wasserabweisende, bio-logisch abbaubare Polymeren wie Polyester,Polyesteramide, Polyesterurethane oderPolyvinylalkohol und Cellulosederivate.

Ein Kunststoffblend besteht somit aus zweiPhasen – der kontinuierlichen und hydro-phoben Polymerphase und der dispersenund hydrophilen Stärkephase. In der hei-ßen, wasserfreien Schmelze im Extrudervermischt sich die wasserlösliche, disperseStärkephase mit der wasserunlöslichen,kontinuierlichen Kunststoffphase zu einemwasserfesten Stärkekunststoff. Die Erfin-dung der Stärkekunststoffblends brachteden Stärkekunststoffen den Durchbruch(EP 0596437, EP 0799335).

Blends oder Compounds werden für dieweitere Verarbeitung in der kunststoffver-

arbeitenden Industrie maßgeschneidert.In Granulatform verfügbar, können sieauf den vorhandenen Anlagen zu Folien,tiefziehbaren Flachfolien, Spritzgussarti-keln oder Beschichtungen verarbeitetwerden. Beispiele dafür sind Trage-taschen, Joghurt- oder Trinkbecher, Pflanz-töpfe, Besteck, Windelfolien, beschichtetePapiere und Pappen.

Auch durch chemische Veränderung(Umsetzung zu Stärkeestern oder Stärke-ethern mit hohem Substitutionsgrad)kann Stärke thermoplastisch modifiziert

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Granulat aus destrukturierter undkomplexierter Stärke und abbaubarenPolymeren natürlicher Herkunft

Für umweltfreundlichen Genuß – biologischabbaubares Besteck


senkunststoffen nicht nur in seinen Eigen-schaften, sondern lässt sich auch auf denvorhandenen Anlagen ohne weiteres ver-arbeiten. PLAund PLA-Blends werden alsGranulate in verschiedenen Qualitäten fürdie Kunststoff verarbeitende Industrie zurHerstellung von Folien, Formteilen, Dosen,Bechern, Flaschen und sonstigen Ge-brauchsgegenständen angeboten. Vor allemfür kurzlebige Verpackungsfolien oder Tief-ziehprodukte (z. B. Getränke- oder Joghurt-becher, Obst-, Gemüse- und Fleischschalen)birgt der Rohstoff großes Potenzial.

Denn der Weltmarkt für das Marktseg-ment „Transparente Kunststoffe“ beträgtimmerhin 15 Mio. Tonnen (2001). Nichtnur bei Verpackungen weiß man dieDurchsichtigkeit zu schätzen, auch fürAnwendungen in der Bauindustrie,Technik, Optik und im Automobilbau hatsie Vorteile. Toyota hat auf dem japanischenMarkt bereits zwei Automodelle mitPLA-Kunststoffen im Armaturenträgerin Serie eingeführt.Außerdem gibt es lukrative Spezial-märkte, zum Beispiel im medizinischen

und pharmazeutischen Bereich, wo PLAbereits seit längerem erfolgreich zumEinsatz kommt. Vom Körper resorbierbareSchrauben, Nägel, Implantate und Plat-ten aus PLA oder PLA-Copolymerenwerden zur Stabilisierung von Knochen-brüchen verwendet. Auch resorbierbaresNahtmaterial und Wirkstoffdepots ausPLA sind schon lange im Gebrauch.

Polylactide und ihre Copolymeren sindje nach Zusammensetzung schnell biskaum biologisch abbaubar. Währendreines Poly-L-Lactid dazu Jahre undPolyglykolid Monate braucht, zersetztsich Polylactid aus D- und L-Lactid schonin einigen Wochen. Das zeigt dann auchdie besondere Vielfalt dieses Biokunst-stoffes, der wahlweise schnell biologischabbaubar oder auch jahrelang funktions-fähig eingestellt werden kann. WeitereVorteile der Polylactid-Kunststoffe sinddie hohe Festigkeit, die Transparenz der

Folien, Becher und Behälter, die Thermo-plastizität und gute Verarbeitung aufden vorhandenen Anlagen der kunst-stoffverarbeitenden Industrie. Nichtsdestotrotz hat PLA aber auchNachteile: da der Erweichungspunkt beietwa 60 Grad Celsius liegt, ist das Mate-rial für die Herstellung von Trinkbechernfür Heißgetränke nur bedingt geeignet.Eine Vielzahl von weltweit erfolgtenPatentanmeldungen zeigen den Eifer derForscher auf der Suche nach einer Lösung.Die Copolymerisation zu hitzebeständige-ren Polymeren oder der Zusatz von Füll-stoffen können für größere Temperatur-stabilität sorgen.

Für die Herstellung von PLAaus Glucoseüber die Zwischenschritte Milchsäureund Dilactid existieren bereits kontinuier-liche Verfahren. Damit ist die Industrie inder Lage, das Material kostengünstig undmittelfristig wettbewerbsfähig gegenüberMassenkunststoffen herzustellen. Die welt-weit erste größere PLA-Produktionsanlagemit 140.000 Tonnen Jahreskapazität wurde2002 in den USA in Betrieb genommen.Industrielle PLA-Produktionsanlagen exis-tieren inzwischen auch in den Nieder-landen, Japan und China.

Was Polylactid kann

Das durchsichtige Polylactid (PLA) gleichtherkömmlichen thermoplastischen Mas-

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Olympiareif – Trinkbecher aus PLA

Mittels neuartiger biotechnologischerVerfahren wachsen auf einem HektarAckerland die Rohstoffe für umgerechnetzwei Tonnen PLA-Kunststoffe heran, diezur Herstellung von 100.000 Trageta-schen geeignet sind.

PLA-Klappboxen – ideale Trays für Obst und Gemüse


derivate gelten Celluloseacetat, Cellulose-acetopropionat und Celluloseacetobutyrat.Cellulosekunststoffe, die für Folien, Werk-zeuggriffe, Skibrillen, bruchsichere Sport-brillen, Brillengestelle oder Lichtkuppelnzum Einsatz kommen, sind in der Regelwitterungsbeständig, transparent, zäh-elastisch und thermoplastisch.

Auch das gibt es: vollsynthetische biologisch abbaubare Werkstoffe

Vollsynthetische biologisch abbaubareThermoplaste sind seit längerem bekannt.Vor allem Materialien auf Esterbasis wiePolycaprolacton (PCL) waren in denersten Jahren als hydrophobe Polymer-komponente in Compounds mit Stärkeweit verbreitet.

Heute werden auch biologisch abbaubareKunststoffe aus fossilen Rohstoffquellenentwickelt und hergestellt. Am gebräuch-lichsten sind Polyesteramide und Poly-estercopolymere. Letztere sind als Kunst-stoff zur Herstellung transparenter Folien,aber auch für die Compoundierung mitthermoplastischer Stärke oder mit PLAgut geeignet. Diese compoundierten Bio-kunststoffe auf Stärkebasis besitzen zur-zeit den größten Marktanteil. Sie werdenhauptsächlich für abbaubare Folienpro-dukte eingesetzt.

Polyhydroxybuttersäure und andere Polyhydroxyfettsäuren – heute aus Bakterien, zukünftigdirekt aus Pflanzen?

Polyhydroxybuttersäure (PHB) zählt wohlzu einem der interessantesten Biokunst-stoffe. Ähnlich wie PLA wäre sie ohne

die Hilfe von Mikroorganismen bislangnicht denkbar. 1924 entdeckten Wissen-schaftler am Pariser Pasteur-Institut,dass Bakterien in der Lage sind, PHB ausZucker oder Stärke herzustellen. In den70er und 80er Jahren gelang die kom-merzielle Herstellung von PHB und ihrerCopolymeren aus Zucker oder Glucosedurch Optimierung der Fermentations-bedingungen.

Für die Granulatherstellung wird dasPolymer PHB vom Zellmaterial getrennt,gereinigt und compoundiert. PHB hateinen Schmelzpunkt von über 130 °C,bildet klare Filme und besticht durch seinemechanischen Eigenschaften. Nebeneinigen mittelständischen Herstellernbeabsichtigt nun die südamerikanischeZuckerindustrie die Herstellung von PHBim industriellen Maßstab, um Preiseunter 5 Euro/kg zu realisieren. DieZüchtung arbeitet mittlerweile an trans-genen Pflanzen, die PHB als Energie-speicher bilden. Bis aber tatsächlich einBiokunststoff aus nachwachsenden Roh-stoffen direkt geerntet werden kann,wird es wohl noch einige Jahre dauern.

Cellulosekunststoffe

Kunststoffe auf Cellulosebasis werdenüblicherweise aus Baumwolle durch Ver-esterung, beispielsweise mit Essigsäure,hergestellt. Als bekannteste Cellulose-

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PLA-Flowpacks im Praxiseinsatz


Ofen gefahren. Durch das Verdampfen desWassers expandiert die Stärkemasse in derForm, nach etwa einer Minute ist das ge-schäumte Formteil fertig.

Ohne Zusatzstoffe kommt der Teig ausnativen oder modifizierten Stärken oderGetreidemehlen auch hier nicht aus.Kaltlösliche Stärken oder Celluloseetherverdicken den Teig und Polyvinylalkoholund Wachse sorgen für Wasserfestigkeit.Im Mischer werden außerdem Füllstoffe,Fasern sowie Lebensmittelfarbstoffe zu-gefügt.

Stärkeschaumformteile werden als Scha-len, so genannte Trays, zum Verpackenvon Lebensmitteln, Fleisch, Obst, Snacks,Pralinen, Gemüse und Tiefkühlkost ein-gesetzt. Im Fast-Food-Bereich sind sie alsBecher und Teller bekannt. AustralischenForschern ist es gelungen, elastische

Trays zum Verpacken von Pralinen auseiner Maisstärke mit einem besondershohen Amylosegehalt zu entwickelnund erfolgreich mit Herstellern von Mar-kenartikeln in den Markt einzuführen.

Thermoplastische Kunststoffe

Thermoplastische Kunststoffe sind in derVerarbeitung und der Anwendung weit-aus flexibler. Sie lassen sich nicht nurextrudieren und compoundieren, sondernauch auf den verschiedensten Wegen zuFolien und Formteilen verarbeiten, schäu-men, schweißen und kleben.

Für die weitere Verarbeitung von Bio-kunststoffen ist in der Regel das Com-poundieren im Extruder die Grundlage:ein oder mehrere thermoplastische Kunst-stoffe und Additive werden aufgeschmolzenund vermischt. Der Doppelschnecken-extruder hat sich dabei besonders bewährt.Denn er plastifiziert nicht nur relativ raschund schonend, sondern kann durch ver-änderliche Geometrie der beiden Schneckenauch sehr variabel eingestellt werden. Jenach Bedarf wird der Kunststoffstrang amEnde entweder abgekühlt und zu Granulatzerschnitten oder durch weitere form-gebende Werkzeuge geleitet. Mit ihnenlassen sich Halbzeuge wie Platten, Rohre,Profile und Flachfolien zur Weiterverar-beitung herstellen.

Aus Kunststoffen und Biokunststoffenmacht die Industrie in einer Vielzahl vonVerarbeitungsverfahren sowohl festeFormteile als auch Folien, die zu flexib-len oder harten Verpackungen undanderen Endprodukten weiterverarbei-tet werden. Dabei unterscheidet manzwischen duroplastischen und thermo-plastischen Kunststoffen. Während sichErstere nach der Formgebung nichtmehr verändern lassen, können thermo-plastische Materialien immer wieder auf-geschmolzen und plastifiziert werden.In diesem Zustand lassen sie sich umfor-men oder verschweißen und behaltennach dem Abkühlen die neue Gestalt.

Duroplastische Biokunststoffe

Aufgrund ihrer Eigenschaften haben duro-plastische Biokunststoffe verhältnismäßiggeringe Bedeutung. Sie bestehen auschemisch oder physikalisch modifiziertenStärken, Spezialstärken oder stärkehaltigenRohstoffen wie Mehl, Grieß oder Pelletsund lassen sich sowohl mit dem Extruderals auch mit der Expansionsformanlageherstellen.

Im Extruder sorgen Schnecken für dieDurchmischung und Erwärmung dereingefüllten duroplastischen Masse. Sie

tritt über eine Düsenplatte mit runden,profilierten oder schlitzartigen Öffnungenals Schaum aus, der sich entweder zuChips konfektionieren oder noch heiß zuFormteilen pressen lässt. Während derVerarbeitung werden der Stärke nichtnur Wasser und Treibmittel (Backpulver)beigegeben, auch Hydrophobierungs-mittel (z. B. Polyvinylalkohol, Öl, Natur-wachs), Flexibilisierungsmittel (z. B. Poly-caprolacton, Polyesterurethan) und Fließ-hilfsmittel sind nötig.

Je nach Temperatur, Druck und Einstellungvon Schnecke, Düse und eingefüllterMischung entstehen aus dem Stärke-schaum die unterschiedlichsten hartenoder weichen Formteile: Verpackungs-chips, die sich in gefärbtem Zustandauch als Kinderspielzeug eignen, Ziga-rettenfilter, Formkörper, Schalen etc. Dader Stärkeschaum durch Befeuchten mitWasser klebaktiv wird, lassen sich auseinzelnen Lagen Sandwichplatten mitDeck- und Unterseite aus Papier oderPappe herstellen.

Das Einspritz-Expansionsverfahren istdem Backen von Waffeln vergleichbar: denWaffelteig ersetzt hier jedoch eine Stärke-suspension. Dabei werden mehrere guss-eiserne, zwei- oder dreiteilige Formwerk-zeuge auf einer Kette durch einen beheizten

Kunststoffe – vom Rohstoff zum Endprodukt

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Kompostierbare Verpackungschips


messers aufgeblasen und mit erhöhterGeschwindigkeit nach oben abgezogenwird. Nicht nur der Zug in Längs- undQuerrichtung, sondern auch der Zeitpunktdes Abkühlens entscheiden über dieFoliendicke.

Flach zusammengelegt wird der Schlauchdann entweder als Schlauchfolie oderseitlich aufgeschnitten als Flachfolie auf-gewickelt.

Folien auf Stärkebasis werden in großenMengen auf Folienblasextrudern her-gestellt. Die biologisch abbaubaren Folien-erzeugnisse kommen als Verpackungen,Müllsammelsäcke und Beutel für Biomüll,

Hygienefolien für Windeln, Versandhüllen,Einmalhandschuhe und Tragetaschen inden Handel.

Spritzblasen von Flaschen

Um Hohlkörper wie Flaschen herzustellen,muss man thermoplastische Kunststoffespritzblasen. Mit einem Extruder wirddabei zunächst ein Schlauch ausgepresst.Als Vorformling ins Blaswerkzeug ein-geführt, wird er am unteren Ende ver-schlossen und verschweißt. Am oberenEnde wird die Flaschenmündung mitGewinde geformt und die Flasche an-schließend gegen die Werkzeugwan-dung aufgeblasen. Von dieser Flaschemüssen nur noch die überstehenden Teileam Boden und am Hals abgetrennt werden.Diese Verfahrenstechnik mit ihren ver-schiedenen Varianten und die Weiterent-wicklung des Kunststoffs PET (Polyethy-lenterephthalat) haben gemeinsam zu demwirtschaftlichen Erfolg der Leichtkunst-stoffflasche beigetragen. Aus PLA herge-stellte Flaschen sind bereits auf demMarkt.

Kalandrieren

Für die Herstellung von Folien speziellaus PVC (Polyvinylchlorid) und PET (Poly-ethylenterephthalat) greift die Industrieauf große Kalanderanlagen zurück. Vier bis

Verarbeitung im Spritzguss

Nahezu alle Größen und Formen vonKunststoffformteilen können im Spritz-guss hergestellt werden. Ein Extrudersorgt für die Plastifizierung der Kunst-stoffmasse, die dann durch erwärmteDüsen und Kanäle in einer genau dosiertenMenge unter Druck in den Hohlraumder kalten Form, des Werkzeugs, einge-spritzt wird. Der Kunststoff kühlt an derWandung des Werkzeugs ab und wirdals gebrauchsfertiges Formteil ausgestoßen.

Spritzgusserzeugnisse kennen wir alsTöpfe, Eimer u. a. Gefäße, Gartenmöbel,Stoßstangen, Getränkekästen, Knöpfe,mechanische Kleinteile usw.

Die Verarbeitung nachwachsender Roh-stoffe im Spritzgussverfahren ist bereitsStandard. Mit dieser Technik entstehenkurzlebige Einwegprodukte und Ge-brauchsgegenstände für Catering, Garten-bau und andere Zwecke.

Das Blasen von Folien

Um Folien zu blasen, wird dem Extruderam Ende eine Ringdüse nachgeschaltet.Die plastifizierte Kunststoffmasse wird zueinem Schlauch gepresst, der mit Luft aufein Mehrfaches des ursprünglichen Durch-

Kunststoffe – Verarbeitungsverfahren

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Spritzgussautomat

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6

1 Einzugszone, 2 Schnecke, 3 Zylinder 4 Kunststoff, 5 Werkzeug, 6 Formteil

Schematischer Aufbau einesSpritzgussautomaten

Folienblasen

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fünf Kalander, große Mangeln, walzenthermoplastische Polymermassen darinzu Folien aus. Da die Maschinenkostenimmens sind, werden sie nur zur Form-gebung der Kunststoffmasse benutzt.Zum homogenen Mischen der Kompo-nenten und zur Plastifizierung ist einExtruder in die Kalandrierstraße inte-griert. Zum Kühlen, Recken, Prägen,Mattieren, Formatieren oder Aufwickelnsind weitere Maschinen nachgeschaltet.Mit Kalanderanlagen lassen sich hoch-wertige Kunststoff-Folien in Dickenbe-reichen von etwa 25 - 1.000 µm herstellen,für Bodenbeläge sind größere Stärkenmöglich. Ob diese Verfahrenstechnik jedochfür Biokunststoffe wie beispielsweise PLAanwendbar ist, muss noch erforscht werden.

Herstellung von Schaumkunststoffen

Mit dem Schäumextruder lassen sichSchaumkunststoffe mit gleichmäßigerZellstruktur oder solche mit einemgeschäumten Kern und einer kompaktenRandzone (Integralschaum) produzieren.Das thermoplastische Granulat wird imExtruder aufgeschmolzen und mit einemTreibmittel – z. B. Kohlenstoffdioxid oderStickstoff – versehen. Auch ein Zellbildner– z. B. ein Gemisch aus Zitronensäureund Natriumbicarbonat – ist nötig. Nachdem Mischen wird das Material auf dieerforderliche Ausformungstemperaturgekühlt und endlos ausgespritzt. Sowohlgeschäumte Formteile als auch thermo-plastisch umformbare Folien sind damit

herstellbar. Sie können im Anschluss durchthermoplastisches Umformen, Warmum-formung oder Tiefziehen zu Endproduktenmit vielseitigen Anwendungen verarbeitetwerden. Becher, Teller, Schalen, Portions-verpackungen, Tabletts oder Folien be-stechen durch ihr geringes Gewicht undihre Isoliereigenschaften.

Wenngleich prinzipiell für Biokunststoffeanwendbar, ist dieses Verfahren noch keinindustrieller Standard.

Formkörper aus Halbzeugen

Thermoplaste werden ab einer gewissenTemperatur so weich, dass sie sich in eineForm ziehen lassen, die sie nach demAbkühlen auch behalten. Wer thermo-plastische Halbzeuge wie Flachfolien zuFormkörpern weiterverarbeiten will, hatdie Wahl zwischen verschiedenen Verfahren.Beim Tiefziehen wird die erwärmte underweichte Flachfolie eines Thermoplastenbeispielsweise durch einen Stempel ge-formt; bei der Warmumformung sorgenDruckluft oder Vakuum für die Übernahmeeiner vorgegebenen Form.

Thermoplastische Kunststoffe lassen sichnicht nur Kleben, sondern unter dem Ein-fluss von Druck und Wärme auch ver-schweißen. So können Rohre zusammen-gefügt oder Behälter, Verpackungen, Trage-taschen, Beutel und Säcke hergestellt

werden. Dieses Prinzip der Kunststoff-verarbeitung durch Schweißen ist in vie-len Variationen weit verbreitet und hat alsFolienschweißgerät zum Verpacken vonLebensmitteln in PE-Folienbeuteln bereitsEinzug in viele Haushalte gehalten.

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BAW – auch für Friedhofsartikel geeignet

Tragetasche aus Mais- oder Kartoffelstärke


Biokunststoffen sind Tragetaschen, die alsSammelbeutel für kompostierbare Küchen-und Gartenabfälle noch einen Zweitnutzenhaben, Schalen für Pralinen, Obst, Gemü-se, Fleisch und Eier, Becher für Molkerei-produkte, Flaschen, Netze oder Beutelfür Obst und Gemüse. Auch Blisterver-packungen, bei denen sich die Folie demverpackten Produkt direkt anschmiegt,sind möglich. Für den Kosmetikbedarfgibt es Dosen oder Tuben. Packstoffeaus Biokunststoffen mit Sperrwirkung,Aromadichte und guter Maschinengän-gigkeit sind verfügbar und werden per-manent weiterentwickelt.

Beschichtungen von Papier- und Karton-verbunden mit Biokunststoffen führenzu neuen Verpackungen mit guten Ge-brauchseigenschaften. In den USA wurdebereits eine Mineralwasserflasche aus demBiokunststoff PLA im Markt eingeführt.Während ein Großteil der Bioverpackungen

auf dem Markt noch ein Nischendaseinführt, haben kompostierbare Säcke undBeutel zum Sammeln von Biomüll bereitseinen führenden Marktanteil.

Kein Wunder, dass es der Verpackungs-bereich ist, dem das größte Potenzial fürBiokunststoffe zugesprochen wird. An-wender, Abpacker und Markenartiklerprofitieren von den verbraucherfreund-lichen Verpackungen. Die Entsorgung vongebrauchten Verpackungen aus Biokunst-stoffen kann auf verschiedene Weiseerfolgen. Die bevorzugte Entsorgungs-option ist die Verwertung zur Energie-gewinnung in Müllverbrennungsanlagen.Biokunststoffe, die zusätzlich biologischabbaubar und kompostierbar sind, könnenauch in Kompost- oder Biogasanlagenverwertet werden.

Cateringprodukte – Abspülen überflüssig

Ähnlich kurzlebig wie Verpackungensind in der Regel auch Cateringprodukte.Einmal verwendet wandern Becher, Tellerund Besteck mitsamt der anhaftendenEssensreste in den Müll – der sich beiFesten und anderen Großveranstaltungenzu wahren Bergen anhäuft. Hier bietenkompostierbare Biokunststoffe nicht nurökologisch echte Alternativen. Über dieMöglichkeit der Kompostierung lassensich auch die Entsorgungskosten erheblich

Verpackungen

Neben einfach aufgeschäumten duroplas-tischen Verpackungschips auf Stärkeba-sis gibt es mittlerweile eine Vielzahl vonVerpackungen aus Biokunststoffen.Denn technisch ist fast alles möglich:Biokunststoffe lassen sich als Folienoder Mehrschichtfolien blasen, als Flach-folie extrudieren, sie sind thermover-

Verwendungsbereiche – wo können Biokunststoffe punkten?

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Stärketragetaschen eignen sich auch als Bioabfallsack

form- und tiefziehbar, bedruck-, schweiß-,spritz- sowie verklebbar und können mitden gängigen Kunststofftechniken zu Ver-packungen konfektioniert werden. Kurz-um: Verpackungsmittelhersteller undAbpacker können Biokunststoffe auf fastallen herkömmlichen Maschinen ohneProbleme verarbeiten.

Etablierte Verpackungsanwendungen von


verringern. Die Hersteller haben daserkannt: ob Geschirr, Becher, Besteck,Schalen, Trinkhalme oder Einwickelfolienfür Hamburger, die ganze Palette desCateringbedarfs wird mittlerweile auchaus Biokunststoffen hergestellt. Demgestalterischen Anspruch des Nutzerssind dabei keine Grenzen gesetzt, jedeFarbe und Form ist möglich.

Fast-Food-Unternehmen seien Catering-produkte aus Biokunststoffen ebenfallsbestens empfohlen. Wenn die Systemga-stronomie nur noch kompostierbare Ver-packungen einsetzen würde, wäre dortauch nur noch ein Abfallbehälter für kom-postierbare oder vergärbare Abfälle not-wendig.

Produkte für Garten- undLandschaftsbau – auf das Timingkommt es an

Im Gartenbau spielt die einstellbare Le-bensdauer der Biokunststoffe eine be-sondere Rolle. Sinnvoll eingesetzt kannsie dem Gärtner eine Menge Arbeit sparen.Mulchfolien aus biologisch abbaubarenBiokunststoffen müssen nach Gebrauchnicht mühsam wieder aufgesammeltwerden, sondern lassen sich unterpflü-gen. Pflanz- und Anzuchttöpfe zersetzensich im Boden und fallen erst gar nichtmehr als Abfall an. Schalen aus Bio-kunststoffen für Blumen- und Gemüse-pflanzen können auf dem heimischenKomposthaufen gemeinsam mit den Kü-chen- und Gartenabfällen kompostieren.

Kostensparend sind auch Biokunststoff-bindegarne, Bänder und Clips zum Be-festigen von hochwachsenden Pflanzenwie beispielsweise Tomaten. Währenddie bisher in Gemüsebaubetrieben ein-gesetzten Produkte nach der Ernte vonHilfskräften mühsam wieder abgesammeltwerden müssen, können die Biokunst-stoffvarianten mitsamt den Pflanzen aufden Kompost wandern.

Auch kompostierbare Samenbänder undWirkstoffverkapselungen aus Biokunst-

stoffen sind gebräuchlich. AbbaubareFolien und Netze werden in der Pilzzuchtverwendet, ebenso für die Ummantelungvon Baum- und Strauchwurzeln als Ver-kaufsware. Folien, Bänder und Netze ausBiokunststoffen sollen frisch angelegteBöschungen befestigen und die Boden-erosion verhindern, bis sie durch Pflanzenstabilisiert werden. Friedhofsproduktewie Pflanzschalen, Töpfe oder „EwigeLichter“ mit biologisch abbaubaren Hüllenund Dekorationsmaterial können an Ortund Stelle nach der Gebrauchsphasekompostiert werden. Für Betreiber vonGolfplätzen sind biologisch abbaubareAbschlaghalter des Golfballs eine interes-sante Alternative: das Aufsammeln ent-fällt, durch Verrotten erledigt sich dasProblem von selbst.

Pharma- und Medizin-anwendungen

Im medizinischen Bereich werden Bio-kunststoffe aus ganz anderen Gründen ein-gesetzt als dies bei Verpackungen oderCateringprodukten der Fall ist. Denn hiergeht es um resorbierbare Fäden oderImplantate, die sich im Körper abbauenund eine weitere Operation zur Entnahmeüberflüssig machen. Da hier besondereQualitäten gefordert werden, sind die Roh-stoffe auch besonders teuer: zum Teil über1.000 Euro/kg.

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Umweltfreundliches Einweggeschirr aus BAW

Kostensparend – Bindegarne, Clips oderBänder, die nach Gebrauch nicht mehreingesammelt werden müssen

Mulchfolien – zerfallen auf dem Feld


zwar Wasserdampf durch, sind zugleichaber wasserdicht. Als Windelfolie, Bett-unterlage, für Inkontinenzprodukte, Damen-hygieneerzeugnisse und Einmalhand-schuhe werden diese „atmenden“ undweichen Biofolien bereits verwendet.

Auch Overalls und Schutzanzüge stelltman aus diesen Biofolien her, weil sieden Tragekomfort erhöhen und als Klima-membran fungieren. Ob sich Sportbe-kleidung aus PLA-Fasern auf dem Marktbehaupten kann, wird sich zeigen. AlsSpielzeug für die ganz Kleinen erfreuen

sich farbige Verpackungschips großerBeliebtheit, für Tiere gibt es Kauknochenaus Biokunststoffen.

Auch Autoreifen mit einem Füllmaterialauf Stärkebasis werden angeboten. Extru-dierte Stärke substituiert Silica in den Lauf-flächenmischungen und sorgt für kraft-stoffsparenden, niedrigeren Rollwider-stand und bessere Fahreigenschaften.

Seit einigen Jahren schließlich bietet einHersteller ein ganzes Sortiment an Urnenaus Biokunststoffen an.

Resorbierbare Biokunststoffe sind vielfäl-tig einsetzbar: Thermoplastische Stärkestellt beispielsweise eine Alternative zurGelatine als Kapsel- und Pillenmaterialdar. Polylactide und deren Copolymerewerden als chirurgisches Nahtmaterial,als Wirkstoffdepot oder als resorbierbareImplantate wie Schrauben, Nägel undPlatten verwendet.

Der Chirurg hat die Auswahl unter ver-schiedenen Polymerzusammensetzungenmit bestimmbaren Zeiten, in denen dasImplantat vom Körper resorbiert wird.Für die notwendige Dauer der mechani-schen Stützung z. B. eines Knochenbruches

wird das Implantat mit der optimalenPolymerzusammensetzung ausgewählt.In jedem Fall wird dadurch eine zweiteOperation wie bei metallenen Implantatenüberflüssig, denn die Implantate ausgeeigneten Biokunststoffen lösen sich imKörper in berechenbaren Zeiten auf.

Von der Windel bis zur Urne – was es sonst noch so gibt

Besondere Eigenschaften bestimmter Bio-kunststoffe prädestinieren sie auch fürHygieneartikel: diese Materialien lassen

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Auch bei Hygieneartikeln kann konventio-neller Kunststoff eingespart werden Bunte Maischips – Bastelspaß für die Kleinen

Biologisch abbaubare Windelfolie gegen denAbfallberg


kompostierbare Produkte zu führen. EinWerkstoff, der das Kompostierbarkeits-logo tragen darf, baut sich innerhalb vonsechs bis zwölf Wochen in der Kompos-tierungsanlage vollständig ab.

Die von der EN 13432 festgelegte Kom-postierbarkeit wird von weiteren gesetz-lichen Rahmenbedingungen flankiert. Da-zu zählen die EU-Verpackungsrichtlinie94/62/EG und ein Entwurf für eine EU-Bioabfall-Direktive, die Verpackungs- unddie Bioabfallverordnung. Die Verpackungs-verordnung (mit Regelungen für kom-postierbare Verpackungen) und die Bio-abfallverordnung (mit Regelungen fürbiologisch abbaubare Produkte aus nach-wachsenden Rohstoffen) gibt es auch fürDeutschland.

Die Verpackungsverordnung

Die im Mai 2005 geänderte Verpackungs-verordnung (VVO) regelt, wie mit ge-brauchten Verpackungen umzugehen ist.Für zertifizierte kompostierbare Kunst-stoffverpackungen aus Biokunststoffenwurde eine Sonderregelung eingeführt:Diese Verpackungen sind bis zum 31.Dezember 2012 von den Pflichten laut § 6der VVO und den DSD-Gebühren freige-stellt. Die Hersteller und Vertreiber müs-sen aber sicherstellen, dass ein möglichsthoher Anteil der Verpackungen einerVerwertung zugeführt wird.

Die Bioabfallverordnung

Auch die Bioabfallverordnung (BioAbfV1998) berücksichtigt BAW aus nach-wachsenden Rohstoffen. Sie zählen zuden Bioabfällen, die in Form von Kom-post auf landwirtschaftlichen, forstwirt-schaftlich und gärtnerisch genutztenBöden grundsätzlich ausgebracht werdendürfen. Die Sammlung der biologischabbaubaren Produkte aus nachwachsen-den Rohstoffen erfolgt auch nach dieserRegelung am sinnvollsten über die Biotonne.Ihre Verbreitung als flächendeckendesSammelsystem ist eine Voraussetzung fürdas Praktizieren dieser Kreislaufwirtschaftmit Biokunststoffen.

Wer Komposte aus Bioabfall auf land-wirtschaftlichen Flächen ausbringenwill, muss sich an die Düngemittelver-ordnung halten. Sie besagt, dass im Kom-post nur nachwachsende Rohstoffe ent-halten sein dürfen. Materialien, die zwarbiologisch abbaubar sind, aber auch fos-silen Rohstoffe enthalten, dürfen dahernicht als Kompost auf Äckern landen.Auch in diesem Kontext scheint die ener-getische Nachnutzung die interessantereAlternative.

Seit die Menschen in großen MengenWerkstoffe, wie z. B. Kunststoffe, verwen-den, die sich nicht im biologischen Kreis-lauf bewegen, gibt es das Problem ihrerEntsorgung. Weder die Ablagerung aufDeponien ist eine ideale Lösung, nochdie Verbrennung, bei der zwangsläufigCO2 freigesetzt wird. Auch das Recy-cling von Werkstoffen wie beispielsweiseKunststoffabfällen ist nicht der Königs-weg und geht oft mit hohen Kosten undbeträchtlichen Qualitätseinbußen einher.

Wer Lösungen sucht, muss zwangsläufigweiter vorne in der Nutzungskette an-setzen und sich überlegen, wie die vonihm verwendeten Materialien beschaffensein müssen, um möglichst wenig Müll-probleme zu verursachen. Der Stoff-kreislauf der Natur gibt Lösungsansätzevor, die von nachwachsenden Rohstoffenin idealer Weise aufgegriffen werden. Sielassen sich wie Kunststoffe verarbeitenund nutzen; im Gegensatz zu diesen nachGebrauch aber wahlweise kompostierenoder thermisch verwerten. Denn auchdie thermische Verwertung von Kunst-stoffen auf Basis nachwachsender Roh-stoffe macht Sinn: damit lässt sich CO2-neutral Energie gewinnen.

Produkthersteller müssen nach den Aus-führungen des Kreislaufwirtschafts- und

Abfallgesetzes ihre „...Erzeugnisse so ge-stalten, dass bei der Herstellung undVerwendung Abfall vermindert und dieumweltverträgliche Verwertung undBeseitigung nach Gebrauch sicherge-stellt ist.“ Gewisse Rahmenbedingungensind dabei Grundvoraussetzung: es dürfenbei der Entsorgung keine störendenBegleitstoffe in den Naturkreislauf ge-langen. Nationale und internationaleNormen zur Abbaubarkeit von polymerenWerkstoffen und Produkten beugen die-sem Problem inzwischen vor.

EN 13432 – genormte Kompostierbarkeit

Anhand standardisier-ter Verfahren wird ge-prüft, ob das betref-fende Material voll-ständig biologisch ab-baubar ist. ErfüllenBiokunststoffe und daraus hergestellteProdukte die Anforderungen der Norm,können sie registriert werden. In Deutsch-land ist die ZertifizierungsgesellschaftDIN CERTCO dafür zuständig. Sieerstellt für den Werkstoff eine Konformi-tätserklärung (Begutachtung über dienormgerechte Ausführung) und gestat-tet den Herstellern das Kennzeichen für

Gesetzliche Rahmenbedingungen

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stoffmarkt aber starke Wettbewerbs-strukturen herrschen, können Biokunst-stoffen allein mit dem derzeitigen Preis-Leistungs-Verhältnis jedoch noch nichtmithalten. Aber: Biogemüse in einer Ver-packung aus Biokunststoffen zu ver-packen macht nicht nur Sinn, sondernwird vom Verbraucher gewünscht. Auchmoderne High-Tech-Produkte in einerinnovativen Verpackung aus Biokunst-stoffen lassen sich erfolgreich vermark-ten. Kompostierbare Folienverpackungenund Tragetaschen können zudem auchnoch zum Sammeln von Bioabfällen„nachgenutzt“ werden und landen

anschließend auf dem Kompost. Poten-zial bergen Biokunststoffe auch für denGartenbau: jährlich 12.000 bis 20.000Tonnen Pflanzgefäße aus diesem Materialwären realistisch. Dazu kommen nochetwa 1.500 Tonnen an Mulchfolien.

Auch die COPA(Committee of Agricultu-ral Organisations in the European Union)und die COGECA (General Committeefor the Agricultural Cooperation in theEuropean Union) haben sich damit be-schäftigt. In einem Positionspapier von2001 stellten sie für Biokunststoffe (bio-plastics) aus nachwachsenden Rohstof-

Rohstoffe für Standard-Thermoplastekosten im Jahr 2005 etwa 900 bis 1.000Euro/ t (PE, PP) oder ab 1.500 Euro/ t (PS).Biokunststoffe sind mit Rohstoffpreisenzwischen drei und fünf Euro je Kilogrammda kaum konkurrenzfähig. Ihnen bleibtmomentan daher nur die Chance, sicheigene Märkte zu erschließen und Markt-anteile aufzubauen.

Denn der Aufbau einer kostengünstigenProduktion in üblichen industriellenGrößenordnungen steht für die meistenBiokunststoffe noch bevor. Biotechnolo-gische Verfahren sind dabei ebenso Hoff-nungsträger wie auf Stärke basierende,qualitativ hochwertige Blends. Sobald

die Produktion im industriellen Maßstababläuft, dürften die Kosten für Biokunst-stoffe erheblich fallen. Experten gehendavon aus, dass Stärkekunststoffe undPolylactide dann für unter zwei Euro proKilogramm produzierbar wären. DieseKosten kämen denen der Standardthermo-plaste bereits sehr nahe. Dabei finden diepositiven Aspekte der CO2-Minderung unddes vorbeugenden Klimaschutzes finan-ziell noch nicht einmal Berücksichtigung.

Aussagen über die Potenziale von Bio-kunststoffen sind stark davon abhängig,ob es gelingt, mit positiven Rahmenbe-dingungen das Interesse der kunststoff-erzeugenden Industrie an Biokunststoffenverstärkt zu wecken.

Fast 40 Prozent der 14 Mio. Tonnen Ver-packungen, die jährlich in Deutschlandverbraucht werden, sind aus Kunststoff.Rund 1,8 Mio. Tonnen davon entfallenauf kurzlebige Kunststoffverpackungen,wie Folien, Tragetaschen, Beutel, Säcke,Becher oder Cateringprodukte – Produktealso, die problemlos aus Stärkekunst-stoffen und Polylactiden hergestellt wer-den könnten.

In Kunststoffverpackungen sehen diemeisten Experten das größte Potenzialfür Biokunststoffe. Da auf dem Kunst-

Potenzial und Perspektiven

34 35

Wachstumspotenzial – Folienherstellung aufBasis von nachwachsenden Rohstoffen

Potenzial für Biokunststoffe

Date

n und

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stellu

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ürge

n Lör

cks

1.200.000

1.000.000

800.000

600.000

400.000

200.000

0

1990 1995 2000 2005 2010 2020

Potenzial bei realistischer BetrachtungPotenzial bei optimistischer Betrachtung

t


fen die in der obenstehenden Tabelle auf-geführten Potenziale für Europa fest.

COPA und COGECA schlagen für biolo-gisch abbaubare Werkstoffe aus nach-wachsenden Rohstoffen einen niedrige-ren Mehrwertsteuersatz von beispiels-weise vier Prozent vor. Damit soll dieCO2-Einsparung in der Ökobilanz dieserProdukte positiv in Wert gesetzt werden.

Nachwachsende Rohstoffe bergen Chan-cen. Sie helfen nicht nur die begrenztenVorräte an fossilen Rohstoffen zu schonenund eröffnen der Landwirtschaft neueEinkommensalternativen, sondern leistenuns auch in puncto Nachhaltigkeit wichtigeDienste. An uns liegt es daher, das Poten-zial der Biokunststoffe zu nutzen.

Verpackungen aus modernen Biokunst-stoffen sind dabei der erste Schritt. Ihrebreite Einführung macht allerdings erstdann Sinn, wenn die energetische Nach-nutzung flächendeckend gewährleistetwerden kann.

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Potenzial für Biokunststoffe in Europa (Schätzungen der COPA und COGECA von 2001)

Catering 450 000 t/a

Säcke zum Sammeln von Biomüll 100 000 t/a

bioabbaubare Mulchfolien 130 000 t/a

bioabbaubare Folien für Windeln 80 000 t/a

Windeln, vollständig aus BAW 240 000 t/a

Leichtverpackungen, Schalen und Dosen 400 000 t/a

Gemüseverpackungen 400 000 t/a

Komponenten für Fahrzeugreifen 200 000 t/a

Gesamt 2.000 000 t/a


www.fnr.de

www.biowerkstoffe.info

www.ibaw.org

www.apme.org

www.plastica.it

www.bpf.co.uk

www.proplast.org/spmp

www.vke.de

www.kunststoffverpackungen.de

www.inaro.de

www.carmen-ev.de

www.kiweb.de

fbaw.itg.uni-hannover.de

www.umweltstiftung.de

www.maiskomitee.de

www.dincertco.de

www.nmn-ev.de

www.riko.net

www.nova-institut.de

www.martech-reports.com/MarketTR/biopolymers.htm

www.proterra.nl

www.biopolymer.net

www.greenplastics.com

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Groot, L.; Paruschke, K.; Schüsseler, P.;Weber, C.; von Zabeltitz, C.:Biologisch abbaubare Werkstoffe imGartenbau (Veröff. des KTBL) ,Darmstadt 2000, ISBN: 3-7843-2111-9.

Tänzer, Wolfgang: Biologisch abbaubare Polymere,Weinheim 1999, ISBN: 3527309632.

Korn, M.:„Nachwachsende und BioabbaubareMaterialien im Verpackungsbereich“,München 1993, ISBN: 3-92845-39-9

Steinbüchel, Alexander (Hrsg.): Biopolymers, mehrere Bände, Weinheim,unterschiedl. Jahre.

Imam, Syed H. (Hrsg.): Biopolymers; Utilizing Nature`sAdvances Materials, Oxford 1999, ISBN:0841236070.

Kaplan, David L.: Biopolymers from Renewable Ressources,Heidelberg 1998, ISBN: 354063567.

Stevens, Eugene: Green Plastics: An Introduction of the New Science ofBiodegradable Plastics, Princeton 2002,ISBN: 069104967X

Frost & Sullivan: European Bioplastics Markets (Studiebeim Unternehmen zu beziehen)

MarTech (Hrsg.): Biodegradable Polymers in North America& Europe, New York 1998. (Studie beimUnternehmen zu beziehen)

Weiterführende Literatur

38 39


40 41

DDichte Quotient aus Masse und

Volumen des Kunststoffes,auch spezifisches Gewichtoder spezifische Massegenannt

DIN Deutsches Institut fürNormung

DIN-CERTCO unabhängige Zertifizierungs-gesellschaft für die Prüfungder Konformität von Bio-kunststoffen

DIN-FNK FachnormenausschussKunststoffe im DIN

DIN V 54900 Deutsche Norm zurPrüfung der Kompostier-barkeit von Kunststoffen

DIN EN Europäische Norm zur 13432 Prüfung der Kompostierbar-

keit von Kunststoffen

Dispergieren das feine Verteilen von nichtmischbaren Flüssigkeits-tropfen zu einer homoge-nen, stabilen Mischung

Duroplaste ausgehärtete Kunststoffe,die durch Wärmeeinwirkungnicht oder kaum erweichen

EElastomere formfeste, aber unter

Krafteinwirkung elastischverformbare Kunststoffe,auch gummielastische,dehnbare Kunststoffegenannt

Energetische Nutzung zur Strom- und Verwertung Wärmeerzeugung

Enzyme Proteine, die als biologischeKatalysatoren wirken

Erneuerbare nachwachsende RohstoffeRohstoffe

Erneuerbare Solar-, Wind-, Bioenergie,Energien Wasserkraft und

Geothermie

Ethylen farb- und geruchloses Gas,aus Naphtha (Erdöl) durchCracken hergestellt,Monomer des Polymers PE

Extrusion Bezeichnung für dasMischen, Aufschmelzen,Reagieren, Homogenisierenund Ausformen vonKunststoffen

FFermentation biochemische Reaktionen,

die durch Mikroorganismengesteuert werden

AAmorph nichtkristallin, glasartig mit

ungeordneten Kristallgittern

Amylopektin verzweigtes Stärkemolekülmit sehr hohem Molekular-gewicht

Amylose unverzweigtes Stärkemolekülmit hohem Molekulargewicht

BBAW Biologisch abbaubarer

Werkstoff, Biokunststoff,Bioplastik

Biokunststoff aus nachwachsenden Roh-stoffen hergestellter Kunststoff

Blend Kunststoffmischung,Polymerlegierung ausmindestens zwei mikrosko-pisch dispergierten undmolekular fein verteiltenBasispolymeren

Blister Verpackung aus einerplanen Unterlage (Karton)mit einer formstabilen,transparenten Folie alsAbdeckung

Biotechnologie integrierte Anwendung vonNatur- und Ingenieur-wissenschaften mit demZiel, biologische Stoff-umwandlungsprozesse zurHerstellung von Produktenzu verwenden

CCellophanglas klare Folie auf Cellulose-

basis, auch Zellglasgenannt

Cellulose hochmolekularer nach-wachsender Rohstoff(Kohlenhydrat) aus Holzoder Baumwolle zurHerstellung von Papier,Kunststoffen und Fasern

CEN Comité Européen deNormalisation

Compound Kunststoffmischung ausmehreren Rohstoffenund/oder Additiven

Copolymer Kunststoff aus unterschied-lichen Monomeren

Glossar Biokunststoffe


42 43

Nach- landwirtschaftlichewachsende Rohstoffe, die nicht alsRohstoffe Nahrungs- oder Futtermittel

genutzt werden, sondern alsRohstoff für industrielleProdukte oder zumErzeugen von Energie

PPatent geschützte Erfindung für

ein Produkt, ein Verfahrenzu seiner Herstellung undVerwendung

PCL Polycaprolacton, ein synthe-tischer abbaubarer Biokunst-stoff, Blendkomponente

PE Polyethylen, thermoplasti-scher Kunststoff auspolymerisiertem Ethylen

PET Polyethylenterephthalat,„unkaputtbarer“Leichtkunststoff

PHB Bezeichnung für denBiokunststoff Polyhydroxy-buttersäure

PLA Polylactid, ein Biokunststoffaus polymerisierter Milchsäure

Polymerisat Kunststoff, der durch Poly-Polymer merisation von Monomeren

gewonnen wird

Polymerisation chemische Reaktion zumAufbau von sehr grossenMolekülen aus Monomerenzu Polymeren

Polymer- molekular fein verteilte legierung Kunststoffmischung aus

zwei oder mehr Basispoly-meren

PP Polypropylen, thermoplasti-scher Kunststoff aus polymerisiertem Propylen

Protein Sammelbezeichnung fürEiweisskörper, aus Amino-säuren zusammengesetzte,polymere Makromoleküle

PS Polystyrol, thermoplastischerKunststoff aus polymerisier-tem Styrol

PVC Polyvinylchlorid, thermo-plastischer Kunststoff auspolymerisiertem Vinylchlorid

RRegenerative natürlich erneuerbare und Rohstoffe nachwachsende Rohstoffe

GGelatine Kollageneiweiss aus

Rinderknochen

Glucose Monomer der Stärke, auchStärkezucker genannt

Granulat Handelsform derKunststoffrohstoffe

HHalbzeug Kunststoff in Form von

Rundstäben, Platten, Folienzur Weiterverarbeitung

Hydrophil Eigenschaft: wasserfreund-lich, ein Kunststoff, der nichtwasser- und wetterfest ist

Hydrophob Eigenschaft: wasserfest, einKunststoff, der wasser-undwetterfest ist

IIntegral- geschäumter Formkörperschaum mit geschlossener Ober-

fläche und porösem Inneren

ISO International Organization for Standardization

KKalandrieren Auswalzen von Kunststoffen

zu Flachfolien

Katalysator ermöglicht und beschleunigtchemische Reaktionen

Kompostierbar zersetzt sich innerhalbeines Kompostzyklus

Kompostzyklus Zeitraum, in dem eineKompostanlage beschicktwird, meist 6 bis 12 Wochen

Kristallin Kunststoff mit regelmässigangeordneten Molekülen ineiner Gitterstruktur

Kunststoffe Werkstoffe mit großenMolekülketten ausnatürlichen oder fossilenRohstoffen, hergestelltdurch chemische oderbiochemische Reaktionen

MMolekül chemische Verbindung

Monomere kleine Moleküle, die durchPolymerisation zu Molekül-ketten verbunden werdenund dann Kunststoffe bilden

Mulchfolie Folie zur Bodenabdeckunglandwirtschaftlich genutzterFlächen

NNachhaltige umweltgerechtes Entwicklung Wirtschaften unter Erhalt

von Optionen fürzukünftige Generationen


44 45

Seite 6 Rohölpreis in US-$/Barrel,Quelle der Daten:http://www.castelligasse.at/Politik/Energie/energiepo-litik.htm

Seite 8 Patentaktivitäten, Quelle der Daten: RecherchenJ. Lörcks, Graphik: J. Lörcks

Seite 11 Entwicklung und Prognosedes Kunststoffverbrauchs,Quelle der Daten: VKE(Verband Kunststofferzeu-gende Industrie e. V.),Graphik: J. Lörcks

Seite 13: Prinzipskizze derEinzugszone einesExtruders, Quelle: HansWeber MaschinenfabrikGmbH, Kronach

Seite 19 Kompostierbarkeitskenn-zeichen, Quelle: IBAW

Seite 22 Schematischer Aufbaueines Spritzgussautomaten,Quelle: Hans WeberMaschinenfabrik GmbH,Kronach

Seite 26 Marktentwicklung d. Kunst-stoffverpackungen, Quelleder Daten: IK (Industriever-band Kunststoffverpackun-gen e. V. ), Graphik: J. Lörcks

Seite 35: Potenzial für Biokunststoffe,Quelle der Daten: J. Lörcks

Seite 36: Potenzial für Biokunststoffein Europa, Quelle derDaten. COPA undCOGECA, 2001

QuellenangabenResorbierbare medizinische AnwendungImplantate von Biokunststoffen zur

Stabilisierung von Knochen-brüchen oder als Wirkstoff-depot, wobei der Biokunst-stoff vom Körper in einerdefinierten Zeit in körper-eigene Stoffe umgewandeltwird, z. B. Polymilchsäure inMilchsäure

SSorbitol Zuckeralkohol (Hexit), her-

gestellt aus Glucose durchkatalytische Hydrierung,Verwendung als Weich-macher für Biokunststoffeauf Stärkebasis

Spritzguss Kunststoffverarbeitungs-verfahren zur Herstellungvon Formteilen

Stärke natürliches Polymer(Kohlenhydrat), bestehendaus Amylose und Amylopek-tin, gewonnen aus Mais,Kartoffeln, Weizen,Tapioka etc.

Sustainable Ein auf der Konferenz derDevelopment UNO in Rio 1992

geprägter Begriff. GlobalesKonzept für nachhaltige undumweltgerechte Ent-wicklung im Sinne einesWirtschaftens unter Erhaltvon Optionen für zukünftigeGenerationen.

TThermoplaste Kunststoffe, die beim

Erwärmen erweichen oderfliessen und beim Abkühlenerstarren

Transgene Pflanzen, in die GenePflanzen eingeführt wurden, die

dann zur Produktion vonBiokunststoffen dienenkönnen

VViskos Eigenschaft von zähflüssigen

Werkstoffen

ZZellglas glasklare Folien auf

Cellulosebasis, die beid-seitig lackiert und dadurchwetterfest sind

Zucker Saccharose aus Rübenoder Zuckerrohr, Rohstoffzur biochemischen Her-stellung von PHB und PLA


Documents

RZ Biokunststoff 051205 - nova-Institutenova-institut.de/news-images/20060530-11/pdf_224biokunststoff_2006.pdf · dann Nylon, Perlon, Polystyrol und Teflon (1930 – 1950). Schließlich