Neue nachhaltige Polymer-Klasse entdeckt: Biologisch abbaubarer Kunststoff könnte Mikroplastik drastisch verringern

Kunststoffe sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken, von Verpackungen bis hin zu Kleidung. Viele Materialien halten lange, zerfallen aber in winzige Partikel. Dieses Mikroplastik gelangt so in Böden, Gewässer und am Ende in die Nahrungskette. Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat nun genauer untersucht, wie sich das Problem lösen lässt. Dabei entstand ein biologisch abbaubarer Kunststoff, der sich deutlich schneller zersetzen soll und einfacher verarbeiten lässt.

Die Studie erschien im Fachjournal Small und handelt von einer neuen Art von Kunststoff, die mehrere Probleme gleichzeitig löst: Die Materialien lassen sich bei niedrigen Temperaturen formen und bauen sich unter industriellen Kompostbedingungen rasch ab. Zudem bleibt ihre Struktur stabil genug für Produkte wie Verpackungen oder technische Bauteile.

Biologisch abbaubarer Kunststoff lässt sich schonend verarbeiten

Viele Kunststoffe benötigen hohe Temperaturen. In der Industrie sind 130 Grad Celsius oder mehr üblich. Das kostet Energie und schränkt Anwendungen ein. Der neue Werkstoff verhält sich anders: Im Versuch entstanden stabile Kunststofffilme bereits bei 37 Grad Celsius und moderatem Druck (10 Megapascal). Teilweise funktionierte die Verarbeitung sogar bei 22 Grad.

Diese Eigenschaft nennen Fachleute baroplastisch – das Material lässt sich unter Druck formen, ohne stark erhitzt zu werden. Das spart Energie. Für den Kunststoff selbst ist das kein Nachteil: In der Studie entstanden belastbare Filme bereits nach fünf Minuten. Zum Vergleich wurde das Material auch klassisch bei 135 Grad verarbeitet. Die Festigkeit und Zähigkeit blieben dabei ähnlich. Der große Unterschied zeigte sich erst bei empfindlichen Zusätzen.

Effektiver Schutz empfindlicher Enzyme

Viele Kunststoffe werden so heiß verarbeitet, dass empfindliche Stoffe ihre Wirkung verlieren. Dazu zählen Enzyme oder Eiweiße, die etwa Schadstoffe abbauen oder chemische Prozesse gezielt auslösen können. Bei der schonenden Verarbeitung des neuen Materials blieb ein solcher Stoff erhalten. Wurde er dagegen bei 135 Grad mitverarbeitet, war seine Funktion fast vollständig zerstört.

Noch deutlicher wird es beim Enzym Proteinase K, das Eiweiße spalten kann. Eingebettet in den Kunststoff blieb es erstaunlich stabil. Nach 21 Tagen war es noch zu rund 40 Prozent aktiv. Ohne Schutz war nach 15 Tagen Schluss.

Das eröffnet praktische Anwendungen, zum Beispiel:

• Filtermaterialien, die mithilfe von Enzymen Schadstoffe aktiv abbauen
• Materialien, die Wasser direkt beim Durchfließen reinigen
• Verpackungen, die selbst Wirkstoffe freisetzen und damit zusätzliche Funktionen übernehmen

Im Kompost baut sich das Material schneller ab

Wichtig ist, was nach der Nutzung passiert. Hier unterscheidet sich das Material von bekannten Alternativen. In Tests unter Bedingungen einer industriellen Kompostanlage baute es sich schneller ab als der häufig genutzte Vergleichskunststoff Poly(L-lactid) (PLLA), der als biologisch abbaubar gilt. Innerhalb von rund zwei Monaten setzte der Abbau ein und schritt weiter voran. Mikroorganismen zerlegen das Material dabei Schritt für Schritt.

Solche Ergebnisse gelten für Anlagen mit konstanten Temperaturen und genau gesteuerten Bedingungen. Dort funktioniert der Prozess zuverlässig. Im Alltag sieht es oft anders aus: In einer Kompostanlage in Bayreuth fallen monatlich etwa 35 Tonnen Fremdstoffe aus rund 900 Tonnen Bioabfall an. Ein großer Teil davon besteht aus Kunststoff. Vor allem kleine Partikel lassen sich kaum entfernen und bleiben im Kompost zurück.

„Ich sehe damit noch sehr viele weitere Möglichkeiten“, sagt Chemikerin Chengzhang Xu. Die Idee dahinter ist ein Material, das sich nutzen und recyceln lässt und unter geeigneten Bedingungen ohne dauerhafte Rückstände zerfällt.

Recycling gelingt mechanisch und chemisch unter milden Bedingungen

Neben dem Abbau ging es auch darum, wie sich das Material wiederverwenden lässt. Die Forschenden testeten zwei Wege:

• Mechanisches Recycling: Kunststoff wurde tiefgekühlt gemahlen und erneut verpresst. Die Molekülstruktur blieb erhalten.
• Chemisches Recycling: Bei 37 Grad und Natronlauge zerfiel das Material in Milchsäure und einen wasserlöslichen Kunststoff-Baustein (PEG). Beide Bestandteile konnten vollständig zurückgewonnen werden.

Beides zusammen findet man bei Kunststoffen nur selten. Viele Materialien lassen sich entweder gut recyceln oder gut abbauen. Hier gelingt beides – dadurch können die Stoffe immer wieder genutzt werden.

Verträglichkeit für Umwelt und Zellen wurde geprüft

Die Wissenschaftler untersuchten auch die Wirkung auf Zellen und Wasserorganismen. Getestet wurden menschliche Zelllinien und der Wasserfloh Daphnia magna. Es zeigten sich keine Hinweise auf größere Zellschäden oder akute Giftigkeit im Wasser. Das spricht für eine gute Verträglichkeit unter den getesteten Bedingungen.

Die Forscher selbst zeigen sich über die Eigenschaften des neuen Kunststoffes erstaunt: „Es war für mich sehr überraschend, dass bestimmte Vertreter der Blockcopolymere baroplastische Eigenschaften zeigen und zudem auch noch kompostierbar sind“, so Xu.

Kurz zusammengefasst:

• Ein neuer biologisch abbaubarer Kunststoff lässt sich schon bei niedrigen Temperaturen formen, spart Energie und bleibt stabil für Verpackungen oder Filter.
• Der Kunststoff kann empfindliche Stoffe wie Enzyme schützen, die dadurch länger aktiv bleiben und etwa beim Abbau von Schadstoffen helfen können.
• Unter industriellen Kompostbedingungen baut sich das Material innerhalb von etwa zwei Monaten schneller ab als herkömmliche Kunststoffe und lässt sich zusätzlich recyceln.

Übrigens: Ein großer Teil des Mikroplastiks entsteht nicht im Meer, sondern direkt auf der Straße – allein Reifenabrieb verursacht in Deutschland rund ein Drittel der Belastung. Digitale Modelle sollen diesen Abrieb künftig verringern. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Rika Schneider UBT