Malin Franke

Biokunststoffe – Begrifflichkeiten und Unterschiede

September 22, 2024
, 10:57 am

Kunststoffe sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken, und das Bewusstsein für die Umweltproblematik, die sie mit sich bringen, wächst stetig. In den letzten Jahren haben sich daher immer mehr Biokunststoffe entwickelt, die darauf abzielen, herkömmliche Kunststoffe schrittweise zu ersetzen. Dennoch gibt es nach wie vor viele Unsicherheiten in Bezug auf die verschiedenen Kunststoffarten, deren Entsorgung und Recycling.

Dieser Beitrag sowie der Artikel „Entsorgung und Recycling“ (Blogbeitrag verlinken) sollen dazu beitragen, mehr Klarheit zu schaffen, indem sie grundlegende Informationen, zentrale Begriffe und häufige Fragen zu diesem Thema beleuchten.

Dieser Beitrag soll einen Überblick zum Thema Biokunststoffe geben und Fragen aufdecken, die in dem Zusammenhang bezüglich der Plastikarten aufkommen. Dabei wird der Fokus auf Biokunststoffe gelegt, welche Bestandteil einiger unserer Werbemittel im LOOP-Shop sind.

Herkömmliche Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen wie z.B. Polyethylen, Polypropylen oder Polyvinylchlorid und biologisch abbaubare Kunststoffe aus fossilen Rohstoffen wie biobasiertes Polybutylensuccinat (PBS), Polybutylenadipat-terephthalat (PBAT) und Polycaprolacton (PCL) werden in diesem Beitrag nicht näher thematisiert.

Wichtige Grundbegriffe

Kunststoffe sind feste Materialien, die aus synthetischen (künstlichen) oder halbsynthetischen Polymeren bestehen. Viele Kunststoffe enthalten auch andere organische oder anorganische Bestandteile, die als Additive bezeichnet werden. Es entsteht folgende Formel: Polymere + Additive = Kunststoff

Additive können auch als Hilfsstoffe oder Zusatzstoffe bezeichnet werden. Sie stellen Stoffe dar, die zu Produkten hinzugefügt werden, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen oder zu verbessern. Der Einsatz von Additiven variiert je nach Anwendungsbereich, bei manchen Produkten werden sie in geringen Prozentanteilen verwendet, bei anderen können sie auch mehr als 50% ausmachen.

Die eben erwähnten anorganische Stoffe sind chemischen Elemente und kohlenstofffreie Verbindungen (mit wenigen Ausnahmen) wie zum Beispiel Wasser oder Schwefelsäure. Organische Stoffe sind dagegen kohlenstoffhaltigen Verbindungen (auch hier bestehen wenige Ausnahmen). Solche Verbindungen kommen hauptsächlich in lebenden Systemen vor, einschließlich Pflanzen, Tieren und Menschen, beispielsweise Kohlenhydrate, Proteine, Fette und Nukleinsäuren.

Kunststoff ist allerdings nicht immer gleich Kunststoff. Es gibt eine Unterteilung von Kunststoff anhand verschiedener Merkmale, beispielsweise nach:

Ursprung
Abbaubarkeit
Anwendung
Polymerart (Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Styropor, Polyurethan, Polyamid etc.)

Gut zu wissen

Im Zusammenhang mit dem Thema Kunststoff fällt auch oft der Begriff „Plastik“. Dabei können diese beiden Begriffe nicht als Synonym verwendet werden. Bei Plastik handelt es sich immer um Kunststoff – aber nicht jeder Kunststoff ist Plastik. Plastik ist formbarer Kunststoff, was beispielsweise Elastomere ausschließt

Wie bereits erwähnt, sind Polymere ein wesentlicher Bestandteil von Kunststoffen. Polymere sind hochmolekulare chemische Verbindungen, auch bekannt als Makromoleküle, die aus wiederholten einzelnen Molekülen, sogenannten Monomeren, bestehen. Diese Monomere können lineare, verzweigte oder vernetzte Strukturen bilden. Sie reagieren miteinander und formen große kettenförmige oder verzweigte Moleküle. Ein grob vereinfachtes Beispiel von einem Monomer und einem Polymer:

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Maschinenbau-Wissen

Wenn Makromoleküle aus Monomeren der gleichen Art bestehen, werden sie als Homopolymere bezeichnet. Wenn dagegen Monomere unterschiedlicher Arten chemisch miteinander verbunden werden, entstehen Copolymere. Und wenn kleine Moleküle (Monomere) zu einem großen Makromolekül (Polymer) verbunden werden, wird das als Polymerisation bezeichnet.

Polymere kann man anhand ihrer physikalischen Eigenschaften in drei Gruppen einteilen:

Thermoplaste: Ab einer bestimmten Temperatur immer wieder verformbare Kunststoffe, z.B. Polyethylen
Duroplaste: Einmalig durch Hitze verformbare Kunststoffe, z.B. Polyester, Epoxidharze
Elastomere: Formfeste, aber ohne Temperatur elastisch verformbare Kunststoffe, die nach der Verformung immer wieder ihre Ursprungsform annehmen. Z.B. Polyurethan oder Gummi (auch Naturkautschuk)

Willst du dazu noch mehr wissen?

Für genauere und weitere Informationen zu den genannten Beispielen, schau doch gerne unter den folgenden Adressen nach. Für diesen Beitrag wäre zu umfangreich, hier näher darauf einzugehen.

Weitere Infos zu Polyethylen, Polyester, Polyurethan oder Naturkautschuk.

Abgrenzung zum Biopolymer: Ein Biopolymer ist ein Polymer, das in den Zellen von Lebewesen synthetisiert wird. Bei der Synthese werden zwei oder mehrere Bestandteile zu einer neuen, übergeordneten Einheit zusammengefügt. Biopolymere erfüllen verschiedene Funktionen in Organismen, sie dienen als Energiespeicher (z. B. Glykogen, Stärke), haben strukturelle Aufgaben in Zellen oder im gesamten Organismus und speichern sowie vermitteln Informationen. Zu Biopolymeren gehören Proteine, Zellulose, Stärke und Chitin.

Biokunststoff - Definition und Begrifflichkeiten

Biokunststoffe sind nicht einheitlich definiert. Das ,,Bio“ kann sich hierbei nämlich auf verschieden Aspekte beziehen:

auf die Produktion aus nachwachsenden Rohstoffen (biobasiert)
auf deren mögliche biologische Abbaubarkeit
oder aber auf beides

Quelle: NABU/Cskw.

Achtung: Als Biokunststoff werden also auch Materialien bezeichnet, die organisch hergestellt werden, aber nicht biologisch abbaubar sind oder andersrum, also Materialien die biologisch abbaubar sind, aber aus Erdöl bestehen.

Biobasiert heißt, dass das Material oder Produkt (teilweise) aus Biomasse erzeugt worden ist. Biomassen, die für Biokunststoffe eingesetzt werden, sind z.B. Mais, Zuckerrohr oder Cellulose. Biobasierte Kunststoffe können biologisch abbaubar sein, sind es oft aber nicht, wie z.B. biobasiertes PET.

Biologisch abbaubare Kunststoffe sind Kunststoffe, die sich unter bestimmten Bedingungen zersetzen. Die Definition kommt vom Deutschen Institut für Normierung, welche besagt, dass ein Stoff biologisch abbaubar ist, wenn er durch Mikroorganismen (z.B. Bakterien) zersetzen werden kann. Dabei können zwei Fälle unterschieden werden:

Unter Sauerstoffzufuhr wir der Kunststoff durch die Mikroorganismen zu CO₂, Wasser, Biomasse und Mineralien abgebaut.
Ohne Sauerstoffzufuhr wird anstelle von CO₂ das Gas Methan produziert.

Entscheidend ist, der Abbau nicht in einer bestimmten Zeit stattfinden muss. So kann es beispielsweise Jahrzehnte lang dauern, bis biologisch abbaubare Produkte sich zersetzt haben – vor allem unter der Erde oder im Wasser.

Ob ein Kunststoff biologisch abbaubar ist, hängt des Weiteren nicht von den Rohstoffen ab, aus denen er besteht. Die chemische Struktur des fertigen Kunststoffs entscheidend. So können auch fossilbasiert Kunststoffe biologisch abbaubar sind.

Kompostierbar bedeutet biologisch abbaubar unter bestimmten Bedingungen und innerhalb eines definierten Zeitrahmens. Das DIN vergibt 2 Zertifikate für kompostierbare Materialien:

Industrielle Kompostanlage: Materialien müssen bei ca. 60 Grad innerhalb von 3 Monaten zersetzt sein (verbliebenen Reste müssen durch ein 2-Millimeter-Sieb passen)
Gartenkompost: Materialien müssen sich bei etwa 30 Grad innerhalb von einem Jahr zersetzen

Biomasse: Bei der Produktion von Biokunststoffen kann auf verschiedene Rohstoffe zurückgegriffen werden, die wichtigste Quelle ist dabei die Biomasse. Dazu zählen:

Cellulose und Lignin aus Holz
Stärke aus Mais, Kartoffeln, Weizen
Kohlenhydrate aus der Zuckerrübe oder dem Zuckerrohr
Öle aus Raps, Sonnenblumenkernen, Soja oder Kokospalmen

Arten von Biokunststoffen

Biologisch abbaubare und biobasierte Kunststoffe

Biokunststoffe, die biobasiert und biologisch abbaubar sind, können nochmals hinsichtlich ihrer Herkunft unterschieden und in pflanzlichen Ursprung, Mikroorganismen und tierischen Ursprung unterteilt werden.

Pflanzlicher Ursprung

Stärke ist ein Homopolymer aus Glukose, das als äußerst gut abbaubar gilt. Glukose ist ein wichtiger Speicherstoff in Pflanzen. Die Hauptlieferanten für Stärke sind Mais, Weizen und Kartoffeln.

Ein häufig verwendeter Biokunststoff ist die thermoplastische Stärke (TPS). TPS wird hergestellt, indem Stärkekörner durch Extrusionsprozesse destrukturiert werden. Extrusion bezeichnet den Prozess, bei dem eine Masse unter Druck in eine andere Form gepresst wird. Um die Stärke zu destrukturieren, also ihre Struktur und den Grad der Kristallisation zu zerstören, werden Weichmacher, mechanische Energie und Wärme eingesetzt. Geeignete Weichmacher sind beispielsweise Wasser und Glycerin.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Biologisch abbaubare Öko-Chips

Cellulose ist das am häufigsten vorkommende natürliche Polymer und wird hauptsächlich aus Holz gewonnen. Bei Cellulose handelt es sich um einen Vielfachzucker.

Industriell kann Cellulose in Form von Celluloseregeneraten und Cellulosederivaten genutzt werden. Bei Celluloseregeneraten werden bei der Verarbeitung in einem Kreislauf verschiedene Lösungsmittel eingesetzt, wobei das Lösungsmittel zu 99,5 – 99,7 % wiedergewonnen wird. Mit diesem Prozess können Fasern für z.B. Obst- und Gemüsenetze hergestellt werden. Dieser Prozess ist umweltfreundlicher als der herkömmliche Viskoseprozess und hat sogar teils bessere Ökobilanzwerte als Baumwolle. Das bekannteste Celluloseregenerat im Bereich der Folien ist Zellglas (Cellulosehydrat). Produkte aus Zellglas sind außerdem biologisch abbaubar.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Lunchbags

Eine größere Bedeutung in Bezug auf industrielle Nutzung haben Cellulosederivate, die in die Hauptgruppen Celluloseether und Celluloseester unterteilt werden. Diese sind jedoch nicht biologisch abbaubar. Celluloseester sind zu maximal 50-60 % biobasiert, da bei der Herstellung technische Essigsäure und erhebliche Anteile Weichmacher verwendet werden, die zumeist als Erdgas oder Erdöl sind. Bei Veresterung entsteht nach entsprechender Aufbereitung beispielsweise Celluloseacetat (CA) (siehe weiter unten).

Lignin, ein Biopolymer, ist die einzige regenerative und biogene Quelle für biobasierte Aromaten (chemische Verbindungen, die aus erneuerbaren, biologischen Quellen gewonnen werden). Diese Aromaten spielen eine wichtige Rolle als chemische Bausteine für verschiedene Anwendungen im Bereich der Polymere, zum Beispiel bei Klebstoffen (oftmals verwendet bei der Papierherstellung) oder Beschichtungen.

Durch Modifizierung, also die Umwandlung oder Anpassung der Eigenschaften, können die Merkmale der Ligninpolymere verändert werden. Dadurch ist es möglich, thermoplastische und duromere Materialien herzustellen.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Kaffee-to-go Becher

Mikroorganismen als Grundlage

Polylactid (PLA) ist ein teilkristalliner Thermoplast, der sowohl biobasiert als auch biologisch abbaubar ist. Dieser Kunststoff besteht hauptsächlich aus Stärke, welche oft aus Mais gewonnen wird. Mikroorganismen wandeln die Stärke in Milchsäure um, aus der dann das Polymer entsteht. Daher wird PLA auch als Polymilchsäure bezeichnet.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Regenponchos

Das Biopolymer Polyhydroxybuttersäure (PHB) ist ein Polyhydroxyalkanoat (PHA) und gehört zur Stoffgruppe der thermoplastischen Polyester. PHB wird in einer Vielzahl von Mikroorganismen als Speicherstoff angereichert.

Verwendung des Kunststoffes: überwiegend Verpackungen und Beschichtungen

Tierischer Ursprung

Biokunststoffe können auch aus tierischen Substanzen hergestellt werden, wie zum Beispiel aus Chitin und Proteinen.

Chitin ist neben Cellulose und Lignin eines der häufigsten Naturpolymere. Es kommt in der Natur in den Panzern von Insekten, Spinnen und Krebstieren vor, aber auch in den Zellwänden von Pilzen.

Verwendung des Kunststoffes: überwiegend für Verpackungsfolien

Proteine sind Biopolymere, die aus Aminosäuren aufgebaut sind. Sie kommen in allen Lebewesen vor und erfüllen verschiedene Funktionen, wie zum Beispiel als Signalstoffe oder Katalysatoren beim Stofftransport. Ein Beispiel für proteinbasierte Kunststoffe ist Casein, das aus der Milch von Säugetieren gewonnen wird.

Verwendung des Kunststoffes: überwiegend wasserlösliche Folien

Biobasierte Kunststoffe

Biobasierte Kunststoffe sind Kunststoffe, die aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen aber nicht biologisch abbaubar sind. Darunter zählen beispielsweise folgende:

Biopolyethylen (Bio-PE) wird aus gentechnikfreiem Zuckerrohr gewonnen. Chemisch betrachtet ist Bio-PE strukturgleich mit dem mineralölbasierten PE. Daher sind der Herstellungsprozess, die Anwendungseigenschaften und die Entsorgungsmöglichkeiten für biobasierte und fossil basierte Varianten identisch.

Für die Herstellung von Bio-PE können verschiedene Verfahren und Rohstoffe verwendet werden. Je nach Verfahren und Variante kann der biobasierte Anteil des PE variieren. Der biobasierte Anteil liegt bei den Produkten in der Regel zwischen 80 bis 100 %.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Kugelschreiber

Polyethylenterephthalat (Bio-PET) ist ein thermoplastischer Kunststoff, der zur Gruppe der Polyester gehört. Bio-PET wird nicht aus fossilen Quellen, sondern aus nachwachsenden pflanzlichen Rohstoffen gewonnen. Die Grundlage dafür bildet das Ethanol aus nachhaltig angebautem Zuckerrohr.

Verwendung des Kunststoffes: Flaschen, Folien und Verpackungen

Biopolypropylen (Bio-PP) ist eine umweltfreundliche Variante des Kunststoffs Polypropylen. Biobasiertes Propylen kommt in der Natur nicht vor, es lässt sich jedoch aus biogenen Quellen durch chemische Transformation erzeugen, beispielsweise aus (pflanzen-)ölhaltigen Quellen. Es besitzt ähnliche Eigenschaften wie herkömmliches Polypropylen.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Dopper Flasche

Bio-Polyamide (Bio-PA) werden aus nachwachsender Biomasse wie Pflanzenölen hergestellt. Diese Materialien zeichnen sich besonders durch ihre gute Festigkeit und Beständigkeit aus. Bio PA ist ein Beispiel dafür, dass ein Kunststoff zu 100% biobasiert sein kann, aber dennoch nicht biologisch abbaubar ist.

Verwendung des Kunststoffes: technische Teile und Verpackungen

Celluloseacetat (CA): Bei der Herstellung von biobasierten Kunststoffen auf Cellulosebasis ist in der Regel eine zusätzliche chemische Modifizierung erforderlich. Die gereinigte Cellulose wird hauptsächlich verestert, um sogenanntes Celluloseacetat (CA) zu gewinnen. Veresterung bezeichnet eine chemische Reaktion, bei der aus einer organischen oder anorganischen Oxosäure und einem Alkohol ein Ester entsteht. Der Kunststoff entsteht dann durch die Reaktion von Cellulose mit Essigsäure. CA ist ein klarer, transparenter Kunststoff und zählt zu den thermoplastischen Kunststoffen. Er ist nicht biologisch abbaubar oder kompostierbar.

Beispiel aus unserem LOOP-Shop: Kugelschreiber