Bioplastik: Der Natur auf die Finger geschaut

Polymere sind lange Moleküle, die durch Verkettung einfacher Bausteine (Monomere) entstehen. Die Menge an Polymeren, die der Mensch künstlich im Jahr herstellt, schafft die Natur an etwas mehr als einem halben Tag. Trotz der gewaltigen Menge sorgen natürliche Recyclingprozesse dafür, dass nach Gebrauch kein Gramm als Restmüll übrigbleibt. Was macht die Natur also anders als der Mensch? Robert Cunningham, Direktor am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, einer interdisziplinären Forschungseinrichtung der Harvard University in Cambridge, Massachusetts, hat eine Antwort: „Die Natur schafft Komplexität durch Selbstorganisation, ohne steuernde Elemente von außen. Wenn sie also ein neues Polymer kreiert, organisiert sie simultan die Prozesse zu dessen Abbau.“ 

Evolution durch Selbstorganisation braucht Zeit – und die hat der Mensch in seiner industriellen Produktion nicht. Doch die Wissenschaftler des Wyss Institute versuchen, die Ergebnisse der sanften, natürlichen Evolution in industrielle Prozesse einzuschleusen. Ein Beispiel ist das Bioplastik Shrilk, welches dem Vorbild der Cuticula, einem vielseitigen Baumaterial der Insekten folgt. Die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Cuticula variieren in einer erstaunlichen Bandbreite: Sie kann als hartes, steifes Material für Panzer, Flügel und Mundwerkzeuge ausgebildet sein oder als weiches, elastisches für Gliedmaßen, Gelenkmembrane und die Hülle vieler Insektenlarven. Das Material besteht aus wechselnden Schichten von Chitin und Protein. Chitin ist ein Biopolymer, das chemisch eng mit der Cellulose verwandt und nach ihr der zweithäufigste Naturstoff ist.

„Das Chitin für unser Shrilk wird aus den Schalen gewonnen, die als Abfall in großer Menge beim Krabben- und Garnelenfang anfallen“, erklärt Cunningham die Herstellung. „Eine aus Chitin gewonnene chemische Variante, das Chitosan, bringen wir als dünnen Film auf eine Glasoberfläche auf. Auf diesen Film dampfen wir eine Schicht aus Fibroin, dem Faserprotein der Seide.“ Shrilk ist ein Kofferwort aus „shrimp“ (Garnele) und „silk“ (Seide). Die Steifigkeit oder Elastizität von Shrilk hängt vom Wassergehalt ab. Chitosan kann auch mit anderen Materialien kombiniert werden, etwa mit Holzmehl. Dadurch produzieren die Wyss-Forscher Formteile, die sich zu nahezu allen Konsumgütern verarbeiten lassen, die heute aus erdölbasierten Kunststoffen bestehen – von Mobiltelefonen über Lebensmittelbehälter bis zu Spielzeug.

Der Clou: Sobald Shrilk in den Kompost oder eine natürliche Umgebung kommt, wird das Material schnell und ohne Rückstände biologisch abgebaut. Dabei entsteht vor allem stickstoffhaltiger Dünger. Zudem konkurriert die Herstellung nicht mit der Nahrungsmittelproduktion, wie es andere Biokunststoffe auf Basis nachwachsender Rohstoffe tun. Seit 2011 forscht das Wyss Institute bereits an Shrilk. Doch ist der industrielle Durchbruch noch nicht gelungen: „Die meisten Kunststoffprodukte werden durch Erweichen bei höherer Temperatur und anschließendes Aushärten beim Abkühlen hergestellt. Die Formgebung bei Shrilk erfolgt dagegen durch Wasserabgabe, ähnlich wie bei Ton und Keramik“, erläutert Robert Cunningham. Die Kunststoffindustrie kann Shrilk schlichtweg noch nicht auf bestehenden Anlagen verarbeiten.

Gute Marktchancen sieht Gerritsen vor allem für Polylactide (PLA) oder Polymilchsäuren, da der Rohstoff als Maisstärke und Zuckerrohr in großer Menge verfügbar ist. „Maisstärke ist ein Tierfutter und für Menschen nicht genießbar. Zuckerrohr wächst sehr schnell.“ PLA wird erzeugt, indem Stärke oder Zucker mithilfe von Bakterien zu Milchsäure aufgeschlossen und dann durch Wasserentzug zum Polymer kondensiert wird. In seinen Eigenschaften ähnelt PLA dem Massenkunststoff PET. An der Beseitigung einiger Nachteile gegenüber der Erdölkonkurrenz, etwa der höheren Durchlässigkeit für UV-Strahlen oder dem Erweichen bereits bei 45 °C, wird gearbeitet. „Zudem werden sich die Herstellungskosten mit steigender Nachfrage an die von PET angleichen“, ist Patrick Gerritsen überzeugt.

Gegenüber PET hat PLA zwei entscheidende Vorteile: Es erzeugt in der Herstellung nur die Hälfte an CO2 und ist kompostierbar sowie biologisch abbaubar. Damit eignet es sich besonders als Verpackungsmaterial für kurzlebige Nahrungsmittel wie Obst, Gemüse und Fleisch, aber auch zur Herstellung von Catering-Artikeln oder als Mulchfolie im Gartenbau. PLA wird auch im menschlichen Körper abgebaut, je nach Zusammensetzung und Porosität in wenigen Wochen oder mehreren Jahren. Medizinische Anwendungen für Implantate, die sich nach einiger Zeit auflösen, sind deshalb ein weiteres Wachstumsfeld. Bisher werden für PLA-Bioplastik europaweit aber gerade einmal 0,0002 % der Ackerfläche gebraucht.

Gerritsen schätzt, dass 80 % aller Verpackungen ohne großen Aufwand auf Bio umgestellt werden könnten. Die Niederlande, Hauptabsatzmarkt für Bio4Pack, sind auf einem guten Weg. In Deutschland sucht man Bioverpackungen in den Supermärkten noch vergeblich. Die Gründe für dieses Zögern sind vielfältig: In deutschen Kompostieranlagen liegt die Verweildauer der biologischen Abfälle aus Kostengründen bei nur vier Wochen. PLA aber braucht zwölf Wochen, um sich vollständig zu zersetzen. In Recyclinganlagen verursacht Bioplastik aufgrund seiner andersartigen Zusammensetzung Störungen bei der Aufarbeitung erdölbasierter Kunststoffe. Also müsste Bioplastik, das in den Gelben Sack gegeben wird, vorher aufwändig aussortiert werden, da sich eigene Recyclinglinien wegen der noch geringen Menge nicht lohnen. Zudem fürchten manche deutsche Politiker, dass die Entsorgungsdisziplin der Verbraucher sinken könnte, wenn „grünes“ Bioplastik flächendeckend eingeführt würde. Sie setzen lieber auf Mehrweglösungen, obwohl deren CO2-Bilanz aufgrund des höheren Transportaufwands schlecht ist.

In den Niederlanden werden demnächst PLA-Verpackungen mit zwei verschiedenen Kennzeichen für Materialstärken über und unter 0,1 mm versehen. Die dicken gehen in die Gelbe Tonne und werden zu 100 % recycelt, die dünnen gehen in die Biotonne zur Kompostierung. Doch nicht nur die Deutschen tun sich schwer: Laut European Bioplastics wurden 2018 weltweit nur 2,11 Mio. t hergestellt, 0,6 % der gesamten Kunststoffproduktion. Selbst wenn die Experten recht behalten, die in den nächsten fünf Jahren einen Anstieg bei Bioplastik um 20 % erwarten, wären das in Relation immer noch nur 0,8 %. Dazu kommt, dass etwa 60 % des Bioplastiks nicht biologisch abbaubar ist und das Bio-Label nur führt, weil es aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird.

Aber ein Anfang ist gemacht. Scheich Ahmed Zaki Yamani, der frühere Erdölminister Saudi-Arabiens, sagte einmal: „Die Steinzeit ging nicht deshalb zu Ende, weil die Steine ausgingen. Und das Erdölzeitalter wird nicht enden, weil das Erdöl aufgebraucht ist.“ Bessere Techniken sind es, die Zeitenwenden einleiten. Die Biokunststoffe stehen in den Startlöchern.