"Grüne" Verpackungen auf Wachstumskurs

Zur interpack, der vom 12. bis 18. Mai 2011 in Düsseldorf stattfinden Fachmesse der internationalen Verpackungsbranche, sind Biokunststoffe in aller Munde. Zwar liegt deren Anteil an der Gesamtproduktion von Kunststoffen derzeit nicht mal bei einem Prozent. Speziell bei Verpackungen stehen die Zeichen aber klar auf „Grün“: Prognosen österreichischer Wissenschaftler besagen, dass 70 Prozent der Kunststoffverpackungen künftig aus Bioplastik bestehen könnten. Das gesellschaftliche Klima ist günstig: Wie bei der Stromerzeugung wird auch bei der Kunststoffproduktion vermehrt auf Nachhaltigkeit gesetzt, d. h. auf nachwachsende Rohstoffe und – qua Kompostierung des Abfalls – auf geschlossene Stoffkreisläufe. Ein Bericht über Trends und Visionen, mit einer Antwort auf die Gretchenfrage: Wie umweltverträglich sind Biokunststoffe wirklich?

Biokunststoffe bilden eine große Familie unterschiedlicher Polymerarten. Was sie eint, ist ihr Erzeugtsein aus nachwachsenden Rohstoffen, z. B. aus Feldfrüchten wie Mais, Weizen oder Zuckerrüben, oder ihre biologische Abbaubarkeit – unabhängig von der Rohstoffbasis. Idealerweise vereint ein Biokunststoff beide Eigenschaften auf sich. Biologisch abbaubar sind nämlich auch einige konventionelle Kunststoffe und Kunststoffgemische auf Mineralölbasis, deren Rückstände problematisch sein können.

Wird Bioplastik agrarischen Ursprungs kompostiert, zerfällt es in seine ungiftigen Ausgangsprodukte, d. h. wird von Pilzen, Bakterien und Enyzmen in Wasser, Kohlendioxid und Biomasse umgewandelt. Das Konzept ist dem Stoffkreislauf in der Natur abgeschaut: Die für die Bioplastikproduktion verwendeten Rohstoffe gelangen nach Ende des Lebenszyklus der Ware in den Produktionsprozess zurück; alternativ werden sie thermisch verwertet oder dienen der Gewinnung von Biogas.

Allerdings hält der Begriff „Biokunststoff“ nicht immer, was Verbraucher sich von ihm versprechen, denn er ist nicht geschützt. Entsprechende Produkte bestehen keineswegs immer zu 100 Prozent aus Bioplastik, sondern können beträchtliche Anteile petrochemischen Kunststoffs aufweisen. So hat Coca Cola unlängst eine „Plant Bottle“ auf den Markt gebracht, die lediglich zu knapp einem Drittel aus biobasiertem Material besteht. Die Spreu vom Weizen zu trennen hilft ein Bio-Logo für kompostierbaren Kunststoff in Gestalt eines Keimlings.

Auch wenn Biokunststoffe einen neuen Trend markieren, wirklich neu sind sie nicht, im Gegenteil: Historisch handelt es sich um die allerersten Massenkunststoffe, erzeugt durch chemische Umwandlung von Naturstoffen. 1869 eröffneten die Gebrüder John Wesley und Isaiah Hyatt in Albany/New York ihre erste Fabrik zur Herstellung von Celluloid, einem Kunststoff aus dem Holzbestandteil Cellulose und Kampfer. Produziert wurden daraus u. a. Billardkugeln, Tischtennisbälle, Puppen, Brillengestelle und Kämme. Heute ist das leicht entflammbare Celluloid längst durch moderne Thermoplaste verdrängt.

1897 wurde der Werkstoff Galalith aus Casein (Milchprotein) erfunden. Er ähnelt stark tierischem Horn oder Elfenbein und wurde u. a. zu Knöpfen, Regenschirmgriffen und Gehäusen für Radios verarbeitet.

1923 begann die Massenproduktion von Zellglas (Markenname: Cellophan), ebenfalls ein Kunststoff aus Cellulose. Bis heute wird er vor allem für Verpackungen und als Fenstereinsatz in Briefumschlägen verwendet. Aufgrund seiner Wasserempfindlichkeit muss Zellglas allerdings für solche Zwecke mit Polyvinylidenchlorid beschichtet werden und ist dann nicht mehr biologisch abbaubar.

In den Jahren 1930 bis 1950 entstanden dann aus den fossilen Rohstoffen Erdöl und Erdgas u. a. Acrylglas („Plexiglas“), Nylon, Perlon, Polystyrol und Polytetrafluorethylen („Teflon“). Schließlich gelang ab 1956 die großtechnische Herstellung der heutigen Standardkunststoffe Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP). Die Biokunststoffe gerieten auf diese Weise ins Hintertreffen, ja geradezu in Vergessenheit. Zu einer Rückbesinnung kam es erstmals im Gefolge der Ölkrise in den 1970er-Jahren: Die Abhängigkeit vom Erdöl zu verringern erschien wegen des Preisanstiegs ökonomisch sinnvoll; nicht minder gewichtig ist das Motiv, endliche, nicht nachwachsende fossile Ressourcen zu schonen.

Viele Argumente sprechen für Bioplastik, sein Marktanteil ist trotzdem bislang verschwindend gering. Weltweit werden jährlich rund 250 Millionen Tonnen Kunststoff verbraucht, davon sind lediglich 250.000 Tonnen biogen ((siehe Biokunststoff). In Westeuropa belief sich 2007 der Gesamtverbrauch biologisch abbaubarer Kunststoffe auf 60.000 bis 70.000 Tonnen, ermittelte das nova-Institut in Hürth bei Köln. Zahlen, die überlagern, dass es zuletzt immense Wachstumsraten zu verzeichnen gab. So hat der Verbrauch von Biokunststoffen auf Stärke-, Zucker- und Cellulosebasis in den letzten acht Jahren um 600 Prozent zugenommen, geht aus einer Marktstudie von Ceresana Resarch, Konstanz, hervor.

Bei der Produktion von Biokunststoffen gibt Europa den Ton an; Zugpferde sind die Hersteller aus Deutschland, Italien, Großbritannien, den Niederlanden und Frankreich, ist von der Interessenvertretung European Bioplastics zu erfahren. Branchenexperten erwarten einen baldigen Schub auch in den USA und geben schon die Parole aus „Raus aus der Nische – rein in den Massenmarkt“.

Die größten Potenziale werden Bioplastik im Verpackungsbereich attestiert, wo Kunststoffe generell eine starke Position innehaben: Drei Gramm Folie verpacken ein Kilo Fleisch – dieses Verhältnis ist nicht zu toppen. „Grün“ verpackt werden inzwischen auch Käse, Brot, Obst, Gemüse, Eier, Molkereiprodukte und Getränke. Für den Handel selbst hat das den Vorteil, verdorbene Lebensmittel nicht mehr von der Verpackung getrennt entsorgen zu müssen. Auf der Hand liegt auch, die Sammelbeutel für kompostierbare Abfälle aus Bioplastik zu fertigen – oder schon die Tragetaschen für den Supermarkt, mit denen man erst einkauft und später, wenn sie ausgedient haben, den Biomüll entsorgt, mit dem zusammen sie dann verrotten.

An Boden gewinnen auch kompostierbare Versandverpackungen, z. B. Luftpolsterfolien. Bei Verpackungschips, mit denen Pakete aufgefüllt werden, z. B. um Glas oder Porzellan bruchsicher zu versenden, handelt es sich um aufgeschäumte Duroplaste aus Stärke, mit einem Marktanteil von rund 40 Prozent der wichtigste Grundstoff für Biokunststoff: Dabei handelt es sich meist um thermoplastische Stärke (TPS), häufig mit Zusatzstoffen versehen (Stärkeblends). TPS in Reinform nimmt nämlich Feuchtigkeit auf (Hydrophilie), eine Eigenschaft, die bei Verpackungsmaterial selbstverständlich unerwünscht ist. Stärkeblends sind hingegen wasserabweisend.

Biokunststoffe gelten als kurzlebig, doch trifft dies keineswegs auf alle zu. Je nach Verwendungszweck lassen sie sich z. B. durch Naturfaserverstärkung haltbar machen; die Umwandlung von Thermoplasten in Duroplaste ist ebenfalls möglich. Auf diese Weise kommen Biokunststoffe auch bei der Herstellung von Möbeln, Elektrogeräten und Autos zum Einsatz. Entsprechend vielseitig ist beispielsweise Polymilchsäure (PLA). Sie entsteht durch Polymerisation von Milchsäure, die wiederum Produkt der Fermentation aus Zucker und Stärke durch Milchsäurebakterien ist. PLA ist ein transparenter Werkstoff, aus dem sich nicht allein Verpackungsfolien, Joghurtbecher oder Flaschen herstellen lassen. Er eignet sich u. a. auch für medizinisch-pharmazeutische Anwendungen, die sogar zu seinen frühesten zählen. Zu nennen sind insbesondere vom Körper resorbierbare Schrauben, Nägel und Platten zur Stabilisierung von Knochenbrüchen. Auch Nahtmaterial und Wirkstoffdepots aus PLA sind im Gebrauch. Die Resorptionszeiten lassen sich dabei im Herstellungsprozess gezielt variieren, das Material wahlweise auf „schnell biologisch abbaubar“ oder „jahrelang funktionsfähig“ einstellen. Weitere Vorteile sind die hohe Festigkeit und die Thermoplastizität; das Material wird allerdings schon bei etwa 60 Grad Celsius weich. Für Temperaturstabilität sorgen Zusatzstoffe oder Kopolymerisation, etwa wenn PLA zu Bechern für Heißgetränke verarbeitet wird. Auf der Düsseldorfer interpack präsentiert Danone einen Joghurtbecher aus Polymilchsäure (siehe auch Polymilchsäure II). Der BASF-Kunststoff Ecovio besteht zu 45 Gewichtsprozent aus PLA und wird z. B. in Einkaufstüten eingesetzt.

Zu den wichtigen Biokunststoffen zählt auch Celluloseacetat. Cellulose ist ein natürliches Biopolymer aus Zuckermolekülen, das in Pflanzen als Hauptstrukturbaustoff vorkommt. Baumwolle hat einen Celluloseanteil von fast 95 Prozent, Hartholz bringt es auf bis zu 75 Prozent, Weichholz auf bis zu 50 Prozent. Die gereinigte Cellulose wird meistens verestert, um Celluloseacetat, den wichtigsten Kunststoff auf Cellulosebasis, zu gewinnen. Ein mit Weichmachern modifiziertes Celluloseacetat wurde schon 1919 als erste Spritzgießmasse patentiert; aus ihr entstanden u. a. Schirmgriffe, Lenkräder und Kugelschreiber.

Als „schlafender Riese“ unter den Biokunststoffen gilt Polyhydroxybuttersäure (PHB), ein biologisch abbaubarer Polyester, dessen Eigenschaften denen des petrochemisch erzeugten Kunststoffs Polypropylen ähneln. PHB kann auf Basis von Zucker und Stärke fermentativ hergestellt werden. Die Gewinnung des Biokunststoffs stellt allerdings vor Probleme, denn die Bakterienzellen müssen durch Chloroform oder Enyzme aufgelöst werden. Hinzu kommt, dass drei Kilo Zucker benötigt werden, um ein Kilo PHB zu gewinnen. Durch Zusatz z. B. von Celluloseacetat oder Stärke werden PHB-Blends mit besonderen Materialeigenschaften erzeugt; die Produktpalette erstreckt sich dann von Klebern bis Hartgummi.

In jüngster Zeit verfolgen Unternehmen die Strategie, die fossile Rohstoffbasis etablierter Standardthermoplaste gezielt durch eine erneuerbare Rohstoffbasis zu ersetzen. So ist es beispielsweise gelungen, aus Zuckerrohr Bio-Polyethylen (PE) und Bio-Polypropylen (PP) zu erzeugen.

Mag manches noch wie Zukunftsmusik klingen und der Markt verhalten reagieren – das positive Image, das Biokunststoffe bei Verbrauchern genießen, schlägt sich zunehmend im Kaufverhalten nieder und verspricht daher ökonomisch interessant zu werden. Allerdings kosten Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen derzeit noch zwei- bis viermal so viel wie Standardkunststoffe, was die Nachfrage vorerst in Grenzen hält. Zumindest die Rohstofflieferanten wittern Morgenluft: Agrarflächen zum Anbau nachwachsender Rohstoffe werden als wesentliches Standbein zukünftiger Landwirtschaft angesehen.

Bioplastik hat aber nicht bloß Befürworter – obwohl es nicht einmal recycelt zu werden braucht, werden Vorbehalte hinsichtlich seiner Ökobilanz angemeldet, nicht zuletzt durch das Umweltbundesamt. Die Kritikpunkte: Nachwachsende Rohstoffe anzubauen führt zu landwirtschaftlichen Monokulturen mit hohem Wasser- und Düngerverbrauch. Die CO2-Bilanz ist durchwachsen: Biokunststoffe setzen bei ihrem Zerfall nicht mehr Kohlendioxid frei, als ihre pflanzlichen Ausgangsstoffe während der Wachstumsphase der Atmosphäre entzogen haben, sind also klimaneutral. Die CO2-Bilanz wird allerdings getrübt, sobald man die Transport- und Prozessenergie berücksichtigt, die für Herstellung und Vermarktung des Biokunststoffs aufgebracht werden muss. Zudem wird beim Verrottungsprozess teilweise Methan freigesetzt, ein Stoff, der fürs Klima noch schädlicher ist als Kohlendioxid selbst. Last but not least: Bei vielen Biokunststoffen handelt es sich, wie erwähnt, um Mischprodukte mit Anteilen konventioneller Kunststoffe, die nicht „von alleine“ verrotten, sondern erhitzt werden müssen, was die Ökobilanz weiter schmälert.

Fazit: Biokunststoffe können in vielerlei Anwendungen die herkömmlichen, mineralölbasierten Kunststoffe bereits ersetzen. Neben Verpackungen zu nennen sind beispielsweise Cateringprodukte wie Einweggeschirr und -besteck, Hygieneartikel, Gefäße für Kosmetikartikel, auch Gehäuse von Elektrogeräten und Handys. Nicht mehr wegzudenken und weitgehend konkurrenzlos sind Biokunststoffe in der medizinischen Anwendung, insbesondere für Operationsmaterialien wie Garne und Implantate, die sich im Körper abbauen. Soll Biokunststoff künftig erste Wahl werden und nicht auf kurzlebige Allerweltsartikel oder technische Nischenbereiche beschränkt bleiben, besteht jedoch noch reichlich Optimierungs- und damit Forschungsbedarf.