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Der biologische Abbau von Kunststoff

Examensarbeit 2009 99 Seiten

Biologie - Mikrobiologie, Molekularbiologie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Kunststoff
2.1 Die Bedeutung von Kunststoff
2.2 Der Terminus technicus 'Kunststoff'
2.3 Konventionelle Kunststoffe
2.4 Neuartige Kunststoffe: Biopolymere

3 Transformationsprozesse von Kunststoff
3.1 Abiotische Transformationen
3.1.1 Mechanischer Abbau
3.1.2 Chemischer Abbau
3.1.3 Abbau von Kunststoff durch atmosphärische Einwirkungen
3.1.4 Thermischer und thermisch-oxidativer Abbau
3.1.4.1 Thermischer Abbau
3.1.4.2 Thermisch-oxidativer Abbau
3.2 Biotische Transformationen
3.2.1 Mikrobielle Abbautypisierung
3.2.1.1 Vollständiger Metabolismus
3.2.1.2 Sekundärsubstratverwertung
3.2.1.3 Cometabolismus
3.2.1.4 Unspezifisch radikalische Oxidation
3.2.2 Der biologische Abbau
3.2.2.1 Biokorrosion vs. biologischer Abbau
3.2.2.2 Definition „Biologischer Abbau“
3.2.2.3 Einflussgrößen des biologischen Abbaus
3.2.2.3.1 Einflussgröße Mikroorganismen
3.2.2.3.2 Einflussgröße Kunststoff
3.2.2.3.3 Einflussgröße Umgebung
3.3 Persistenz

4 Kunststoff als Umweltproblem

5 Biologisch abbaubare Kunststoffe und deren Abbauverhalten
5.1 Historie von biologisch abbaubaren Kunststoffen
5.2 Einteilung der biologisch abbaubaren Kunststoffe
5.3 Natürliche Polymere
5.3.1 Abbauverhalten von Cellulosepolymeren
5.3.2 Abbauverhalten von Polyhydroxybutyrat
5.4 Chemisch modifizierte natürliche Polymere
5.4.1 Abbauverhalten von Celluloseacetat
5.4.2 Abbauverhalten von Thermoplastischer Stärke
5.5 Synthetische Polymere aus natürlichen Bausteinen
5.5.1 Abbauverhalten von Poly(Milchsäure)-Polymeren
5.6 Synthetische Polymere aus petrochemischen Bausteinen
5.6.1 Polyvinylalkohol
5.6.2 Polyester
5.6.2.1 Aliphatische Polyester
5.6.2.1.1 Abbauverhalten von Poly(ε)-caprolacton
5.6.2.2 Modifizierte aromatische Polyester
5.6.2.2.1 Abbauverhalten von Ecoflex® (BASF SE)
5.6.3 Polyesteramid
5.6.3.1 BAK 1095 (Bayer AG)
5.7 Schlussbetrachtung zu den biologisch abbaubaren Kunststoffen

6 Prüfverfahren für die Bestimmung der vollständigen biologischen Abbaubarkeit
6.1 Polymerspezifische Parameter und biologischer Abbau
6.2 Anforderungen an Testverfahren
6.3 Testverfahren für den biologischen Abbau von Kunststoff
6.3.1 Aerobe Testverfahren
6.3.1.1 Enzym Testverfahren
6.3.1.2 Petrischalen Testverfahren
6.3.1.3 Aquatische und nicht aquatische Testverfahren mit definierten Medien
6.3.1.3.1 Manometric Respirometry Test
6.3.1.3.2 Codifizierter Sturmtest
6.3.1.4 Laborsimulationen
6.3.1.4.1 Controlled Composting Test
6.3.2 Anaerobe Testverfahren
6.3.2.1 Faulgasproduktion
6.4Zertifizierung von biologisch abbaubaren Kunststoffen
6.4.1 DIN V 54900
6.4.1.1 DIN V 54900-1
6.4.1.2 DIN V 54900-2
6.4.1.3 DIN V 54900-3
6.4.2 Weitere Normen und Zertifizierungsorganisationen

7 End-of-life Optionen von biologisch abbaubaren Kunststoffen
7.1 Entsorgungsoption Kompostierung
7.1.1 Untersuchung biologisch abbaubarer Kunststoffe in der Kompostierung
7.2 Entsorgungsoption Biogaserzeugung (Vergärung)
7.2.1 Untersuchung biologisch abbaubarer Kunststoffe in Bezug auf die Biogasbildung

8 Ökologische Bewertung biologisch abbaubarer Kunststoffe
8.1 Ökobilanz
8.1.1 Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens
8.1.2 Erstellung einer Sachbilanz
8.1.3 Wirkungsabschätzung
8.1.4 Auswertung der Ergebnisse
8.2 Daten zur Ökobilanz von biologisch abbaubaren Kunststoffen

9. Zusammenfassung

10. Literaturverzeichnis

11. Abbildungsverzeichnis

12. Tabellenverzeichnis

13. Anhang

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Natur kennt keinen Müll. Seit Millionen von Jahren funktioniert auf der Erde ein Kreislaufsystem: Pflanzen bauen mit Hilfe der Sonnenenergie komplexe, organische Verbindungen wie z.B. Cellulose oder Lignin auf. Tierische Lebewesen bauen diese um und Mikroorganismen bauen sie letztendlich wieder zu den Ausgangsstoffen pflanzlicher Synthesen ab. Das Kreislaufsystem erfuhr einen Einschnitt als der Mensch anfing, selber neue Molekülstrukturen herzustellen. Für viele dieser anthropogenen Verbindungen haben die für den Abbau zuständigen Mikroorganismen jedoch noch keine geeigneten Enzymsysteme entwickeln können. Die neu synthetisierten Verbindungen verbleiben in der Umwelt und sammeln sich an. Eine besonders erfolgreiche Gruppe dieser neuen Verbindungen stellen die Kunststoffe dar. Seit den Arbeiten von Hermann Staudinger zu Beginn der 1920er Jahre, sind polymere Werkstoffe (= “Kunststoffe“) zu wahren High-Tech-Materialien avanciert, die einen maßgeblichen Beitrag zu fast allen technischen Entwicklungen der Moderne leisten (z.B. Luft- und Raumfahrt, Verkehr, Informations-technik, Verpackungen, Medizintechnik etc.). Die universelle Verwendbarkeit, verbunden mit der industriell erwünschten „Unverwüstbarkeit“ bzw. Langlebigkeit hat aber auch ihre Schattenseiten. Die Entsorgung von Kunststoff gestaltet sich problematisch, vor allem dann, wenn er nicht innerhalb des dafür vorgesehenen Verwertungskreislaufes entsorgt wird und sich als Folge in der Umwelt ansammelt und diese verschmutzt. Ein drastisches und globales Beispiel stellt der ubiquitär verteilte marine Müll dar, der hauptsächlich aus Kunststoffabfällen besteht. Eine umweltschützende Alternative zu den unverrottbaren, konventionellen Kunststoffen stellt die Entwicklung von neuen Kunststoffen dar. Diese neuartigen Kunststoffe – teils aus nachwachsenden, teils aus petrochemischen Rohstoffen – können biologisch abgebaut werden, z.B. durch Kompostierung oder Vergärung. Im Rahmen der Arbeit wird ein Überblick über aktuell relevante biologisch abbaubare Kunststoffe und deren Abbauverhalten gegeben. Zuvor wird geklärt was konventionelle sowie neuartige Kunststoffe sind und auf welchen vielfältigen Wegen sie transformiert werden können. Daneben wird aufgezeigt wie die vollständige biologische Abbaubarkeit durch normierte Testverfahren geprüft wird und biologisch abbaubare Kunststoffe im Rahmen einer Ökobilanz beschrieben werden können.

2 Kunststoff

2.1 Die Bedeutung von Kunststoff

Hochmolekulare, organisch aufgebaute polymere Stoffe werden seit ältester Zeit von den Menschen verwendet. So unter anderem in Form von Textilien aus Naturfasern, Holz und Leder als Werkstoff oder aber auch als Klebstoff. So diente z.B. Birkenpech, das durch eine trockene Destillation gewonnen wurde, als Allzweck-Klebstoff. Der in unseren Breitengraden wohl bekannteste natürliche Kunststoff ist der Baltische Bernstein, der aus zähflüssigem Baumharz vor etwa 40 - 50 Million Jahren entstand und die Zeit überdauerte und heute als Schmuckstein erfreut oder den Paläontologen Aufschluss über konservierte Einschlüsse (Inklusen) aus der damaligen Zeit gibt (Menges et al., 2002). So nehmen heute viele Kunststoffanwendungen in unserem täglichen Leben eine tragende Rolle ein, dass sie kaum aus dem Alltag wegzudenken sind. In den Bereichen der Grundbedürfnisse eines Menschen, wie z.B. Nahrung, Gesundheit, Kleidung, Wohnen und Kommunikation, leistet der Werkstoff Kunststoff einen bedeutenden Beitrag für die Erleichterung des modernen Lebens der Individuen und verweist zugleich auf eine postindustrielle Gesellschaft.

2.2 Der Terminus technicus 'Kunststoff'

Die Bezeichnung Kunststoff geht auf Dr. Richard Escales zurück, der erstmals 1911 die Zeitschrift „Kunststoffe“ herausgab, die sich mit der Verwendung veredelter und chemisch hergestellter Stoffe aus der organischen Chemie befasste. Die neue Wortschöpfung wurde zum Inbegriff einer neuen Werkstoffklasse. Die Polymerchemie betrachtet Kunststoff als einen makromolekularen Stoff, das heißt Kunststoff besteht aus riesigen Molekülen. Für diese großen Moleküle wurde von dem deutschen Chemiker Hermann Staudinger im Jahr 1922 der Begriff Makromolekül eingeführt. Wie die Kunststoffe bestehen auch viele Naturstoffe aus Riesenmolekülen. Beispiele dafür sind: Cellulose, Stärke, Chitin, Lignin, Proteine und Polynucleotide. Kunststoffe und auch einige natürliche makromolekulare Stoffe sind über immer gleiche Bindungen aus einer Vielzahl gleichartiger, kleiner Bausteine aufgebaut. Um dies zu kennzeichnen wird der Begriff Polymer verwendet. Die einzelnen Bausteine werden als Monomere bezeichnet. Die Basis von Natur- und Kunststoffen bilden demnach Polymere. Ein Polymer wird als „eine chemische Verbindung, die aus Ketten- oder verzweigten Molekülen (Makromolekülen) besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten, den so genannten Monomeren aufgebaut ist“, definiert (Menges et al., 2002). In der Literatur werden Biopolymere von synthetischen Polymeren unterschieden. Das Kriterium dafür bildet die jeweilige Herkunft des Rohstoffes. So handelt es sich bei den Biopolymeren, wie den Proteinen, Polynucleotiden, Polysacchariden (z.B. Stärke) oder Naturharzen um Naturstoffe, die von den gängigen Massenkunststoffen, welche durch Polymerisation aus petrochemischen Rohstoffen, wie Naphtha oder Steinkohle hergestellt werden, zu unterscheiden sind.

In der Kunststofftechnik wird unter Kunststoff „ein synthetisch-organischer Werkstoff verstanden, der als wesentliche Bestandteile Makromoleküle enthält“ (Kaiser, 2006). Der Ausdruck 'synthetisch' weist darauf hin, dass Kunststoff ganz oder teilweise durch chemische Reaktionen (Synthesen) entsteht. Mit 'organisch' wird auf den Umstand verwiesen, dass der chemische Aufbau eines Kunststoffes auf dem chemischen Element Kohlenstoff beruht. Elementarer Kohlenstoff ist in der Organischen Chemie meist vierbindig anzutreffen, z.B. Methan (CH4). Die Zahl und Vielfalt der heute bekannten Verbindungen aus der organischen Chemie hängt mit der ausgeprägten Eigentümlichkeit des Kohlenstoffes zusammen, sich in fast unbegrenztem Umfang mit sich selbst und anderen, vorzugsweise nichtmetallischen, chemischen Elementen zu verbinden. So vor allem mit Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, Chlor, Fluor, Schwefel sowie Silizium. In der oben aufgeführten Definition wird gleichsam zum Ausdruck gebracht, dass es sich bei Kunststoffen in der Regel um Mischungen handelt und dies sogar in zweifacher Hinsicht (Menges et al., 2002). Denn Kunststoffe bestehen nicht nur aus Makromolekülen, sondern sie enthalten auch Anteile anderer Substanzen, die Additive genannt werden. Dabei handelt es sich um Zusatzstoffe, welche gezielt zur Modifizierung des Eigenschaftsbildes bei der Aufbereitung und/ oder Verarbeitung eingesetzt und bei der Herstellung den Makromolekülen zugefügt werden (Kaiser, 2006). Vor allem der Verarbeitung von Kunststoff kommt eine große Bedeutung zu, denn seine Endeigenschaften erhält ein Kunststoff erst durch den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess (Ehrenstein & Pongratz, 2007). Es besteht also ein deutlicher Unterschied zwischen Polymer(en) und Kunststoff(en). Die erste Abbildung (Abb. 1) beschreibt den Werdegang eines Kunststoffes. Beginnend mit einem Polymer als Rohstoff (natürlich oder synthetisch). Mittels Polymerisation wird eine Formmasse (Substanzmischung aus Polymer-Rohstoffen) hergestellt und zum endgültigen Kunststoffprodukt als Form-/ Werkstoff (z.B. Kunststoff-verpackung) weiterverarbeitet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 Unterscheidung der Begriffe: Polymer , Formmasse und Kunststoff (Werksstoff) ( verändert nach Kaiser, 2006)

Der Terminus technicus Kunststoff wird also zur Umschreibung eines Werkstoffes benutzt, dessen Endeigenschaften durch Polymere und Additive sowie Verarbeitungs-prozesse bestimmt werden. Die als Rohstoff eingesetzten Polymere können nachwachsenden oder fossilen Ursprungs sein und durch das Kriterium der Abbaubarkeit näher definiert werden (Kap. 2.4).

2.3 Konventionelle Kunststoffe

Konventionelle Kunststoffe oder auch Massenkunststoffe basieren auf petrochemischen Rohstoffen und sind wegen ihrer aus C-C Bindungen bestehenden Hauptketten einem biologischen Abbau nicht zugägnlich. Zu den gängigsten Massenkunststoffen gehören Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polystrol (PS), Polyurethan (PUR) und Polyethylenterephtalat (PET). Sie zeichnen sich durch ihre außerordentlich gute Beständigkeit im Kontakt mit Medien und Klimaten aus ('Handprobe' Anhang 1). Die Kunststoffe können dennoch altern und in der Endkonsequenz zerbrechen. Die Bruchstücke können aber nicht von Organismen zur Verstoffwechselung genutzt werden und verbleiben in der Umwelt. Sie müssen daher durch andere Entsorgungsoptionen (z.B. Deponie, Verbrennung. Recycling) einem Verwertungskreislauf, welcher den Kriterien der Nachhaltigkeit entspricht, zugängig gemacht werden (Reineke & Schlömann, 2007).

Nicht immer greifen diese Entsorgungsoptionen. Ein Umweltproblem ist das Littern. Damit wird das einfache und achtlose Wegwerfen von Kunststoffprodukten (z.B. Zigarettenfilter, PET-Flaschen), d.h. das Entsorgen in der Umwelt, bezeichnet. Zum anderen basieren die konventionellen Kunststoffe auf dem limitierten Rohstoff Erdöl. Neben den grundsätzlich gestiegenen und den zukünftig auch immer weiter ansteigenden Rohölpreisen, ist auch die weltweit ungleichmäßige Verteilung der Erdölvorkommen als politisch problematisch einzustufen. Deutschland deckt seinen Erdölbedarf zu mehr als 95 % durch den Import. An die Verfügbarkeit des Erdöls und seinen Preis ist unmittelbar der Kunststoffpreis gekoppelt. Derzeit werden in Mitteleuropa 4 bis 5 % des importierten Erdöls durch die Petrochemie für die Erzeugung von Kunststoff genutzt (Ehrenstein & Pongratz, 2007; Endres & Siebert-Raths, 2009).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2 Nutzung des Erdöls bzw. Naphtas zur Kunststofferzeugung (Endres & Siebert- Raths, 2009)

Zur Herstellung der Kunststoffe werden auf der Basis von Naphta zunächst verschiedene C2-, C3- und C4-Verbindungen sowie auch aromatische Verbindungen als weitere Zwischenstufen erzeugt (Abb. 2). Die Gesamtproduktion an konventionellen Kunststoffen beträgt derzeit weltweit über 260 Millionen t/ a, in Europa ca. 65 Millionen t/ a und in Deutschland etwa 20 Millionen t/ a (Endres & Siebert-Raths, 2009). Im Hinblick auf die Limitierung des Rohstoffes Erdöl gab es zu Beginn der 1980er Jahre erste Entwicklungen bezüglich neuer polymerer Werkstoffarten. Die zukünftigen, erdölunabhängigen, aus nachwachsenden Rohstoffen und zudem z.T. biologisch abbaubaren Werkstoffe haben eine starke Euphorie erfahren. Die Euphorie fußte auf der Idee der Substitution der erdölbasierten Kunststoffe, durch Kunststoffe auf der Basis von nachwachsenden Rohstoffen. Im Folgenden liegt das Hauptaugenmerk auf der Werkstoffgruppe der Biopolymere (bzw. der biologisch abbaubaren Kunststoffe) und ihr Abbauverhalten wird v.a. in den Kapiteln 5.3 bis 5.7 erörtert.

2.4 Neuartige Kunststoffe: Biopolymere

Viele verschiedene Begriffe sind in der Literatur im Umlauf, die zu Missverständnissen bezüglich des Kriteriums der biologischen Abbaubarkeit führen können. So werden in der Literatur „Biopolymer“, „Biokunststoff“, „biologisch abbaubarer Kunststoff“ oder aber auch „Kunststoffe aus nachwachsenden Rohstoffen“ als Äquivalent verhandelt. Neben dem Kriterium der Abbaubarkeit, spielt das Kriterium der Rohstoffherkunft eine entscheidende Rolle, vor allem hinsichtlich des Aspektes der Nachhaltigkeit und der Limitierung des Rohstoffes Erdöl. Den Aspekt der Abbaubarkeit betreffend ist es nebensächlich ob biologisch abbaubare Kunststoffe auf petrochemischen Rohstoffen oder auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. „Die Abbaubarkeit der Biopolymerwerkstoffe wird am Ende nur durch die chemische und physikalische Mikrostruktur der Polymere und nicht durch den Ursprung der eingesetzten Rohstoffe oder den Herstellungsprozess der Rohstoffe beeinflusst“ (Endres & Siebert-Raths, 2009). Eine Definition kann daher wie folgt lauten: Ein Biopolymer ist ein Werkstoff, der mindestens eine der beiden folgenden Eigenschaften erfüllt. Er besteht aus nachwachsenden Rohstoffen und/ oder er kann biologisch abgebaut werden. Kleeberg differenziert die vier grundsätzlich abbaubaren Polymertypen in:

- Abbaubare natürliche Polymere
- Abbaubare chemisch modifizierte natürliche Polymere
- Abbaubare synthetische Polymere aus natürlichen Bausteinen
- Abbaubare synthetische Polymere aus petrochemischen Bausteinen

(Kleeberg, 1999)

Dem gegenüber steht die Möglichkeit der nicht abbaubaren, auf nachwachsenden Rohstoffen basierenden Polymere (z.B. vulkanisierter Kautschuk, Linoleum oder hochsubstituierte Celluloseacetate). Diese gehören auch in die Kategorie „Biopolymer“ wenn die oben genannte Definition vorausgesetzt wird, da sie aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen (Kleeberg, 1999; Menges et al., 2002; Endres & Siebert-Raths, 2009). Kleebergs Differenzierung weicht von der o.g. Definition von 'Biopolymeren' ab. Biopolymere müssen für sie nicht zwangsläufig aus nachwachsenden Rohstoffen bestehen. Biologisch abbaubare Kunststoffe können auf der Basis petrochemischer Bausteine synthetisiert werden (z.B. Polyvinylalkohol, Polyester, Copolyester und Polyesteramide). Im nächsten Abschnitt folgt eine Darstellung von Abbauprozessen (abiotische und biotische Transformationen) von denen Kunststoffe – sowohl konventionelle als auch biologisch abbaubare Kunststoffe – betroffen sein können. Der Schwerpunkt der Betrachtung liegt hierbei auf dem biologischen Abbau von Kunststoffen, die seitens der Kunststoffindustrie extra dafür konzipiert sind. Im Wesentlichen sind es Kunststoffe, die C-O- oder C-N-Bindungen in der Polymerkette enthalten. Im Vorfeld wurde geklärt, dass nur Biopolymere, bei denen es sich um neuartige Polymerwerkstoffe innerhalb der altbekannten Werkstoffgruppe der Kunststoffe handelt, derzeit in Betracht der biologischen Abbaubarkeit kommen, da die Massenkunststoffe gegenüber einem biologischen Abbau inert sind und in der Umwelt akkumulieren.

3 Transformationsprozesse von Kunststoff

Aus der Sicht des Umweltschutzes, der Umweltsanierung und Umweltmikrobiologie ist der Verbleib von konventionellem Kunststoff als fester Abfallstoff in der Umwelt von großer Bedeutung, da Substanzen wie Kunststoffe, die durch abiotische oder biotische Prozesse schwer oder nicht abgebaut werden können, in der Regel persistent sind und in der Umwelt akkumulieren (Reineke & Schlömann, 2007). Eine Entsorgungsoption ist der biologische Abbau von biologisch abbaubaren Kunststoff (Kap. 5). Andere Optionen sind z.B. die Einlagerung auf Deponien, das Kunststoffrecycling (Kap. 7.) oder der rigorose Verzicht auf den Werkstoff Kunststoff.

Hinsichtlich des Abbaus von Kunststoff lassen sich allgemein abiotische und biotische Transformationen unterscheiden. Von welchen Vorabbedingungen muss ausgegangen werden, wenn Transformations- bzw. Abbauprozesse von Kunststoff betrachtet werden sollen? Anders gefragt, wovon ist die Konzentration und Verbreitung von Kunststoff in der Umwelt abhängig? Sie ist abhängig vom Transport, Transfer und der Transformation (Abb. 3).

Genauer heißt das, die Konzentration von Kunststoff in der Umwelt ist abhängig von der Eintragsquelle, den spezifischen Eigenschaften des Kunststoffes und des Ökosystems sowie von den abiotischen und biotischen Transformationsprozessen, die im folgenden Kapitel dargestellt sind. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Darstellung der Möglichkeit des biologischen Abbaus (biotische Transformation) von abbaubarem Kunststoff. Zuvor werden der Vollständigkeit wegen die abiotischen Transformationen von Kunststoff aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3 Konzentration von Kunststoff in der Umwelt und Faktoren von denen diese abhängt (erstellt nach Reineke & Schlömann, 2007)

3.1 Abiotische Transformationen

3.1.1 Mechanischer Abbau

Der Abbau der Polymerkette erfolgt durch äußere mechanische Einwirkungen, die eine Deformation des Bindungswinkels und des Bindungsabstandes hervorrufen. In der Folge kommt es zu einem mechanischen Versagen. Während der Abbau von Kunststoffen durch Mikroorganismen ein Vorgang ist, der hauptsächlich auf der chemischen Wirkung der Stoffwechselprodukte beruht, handelt es sich bei höheren Organismen überwiegend um einen mechanischen Abbau. Unter den Tieren, die Kunststoffe angreifen, überwiegen Nagetiere und Insekten. Nagetiere zerbeißen Kunststofferzeugnisse aus Nagetrieb oder sie verwenden das zernagte Material zu Nistzwecken (Ehrenstein & Pongratz, 2007). Ein weiteres Beispiel für den mechanischen Abbau ist die Gegenwart von Wasser (z.B. in Form von Süß-/ Salzwasser, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit), welches sowohl den Kunststoff selbst, als auch die darin enthaltenen Stoffe beeinflussen kann. Der Abrieb z.B. durch Meereswellen oder der häufige Wechsel der Luftfeuchtigkeit löst eine mechanische Wirkung des Wassers aus und führt zur Rissbildung sowie zu einer atmosphärischen Alterung des Kunststoffes. Mit fatalen Folgen einhergehend ist der mechanische Abbau (Transformation) im Ökosystem Meer. Winzige, zerriebene Kunststoffpartikel bleiben zurück und sind durch auffällige Farben für Meereslebewesen (z.B. Seevögel, Fische) als Nahrung attraktiv, die an der unverdaulichen Beute zu Grunde gehen (Transfer/ Transport). Es konnte nachgewiesen werden, dass mikrofeiner Kunststoffabfall in den vergangenen 40 Jahren stark zugenommen hat. Im großen pazifischen Müllstrudel (Anhang 2) gibt es inzwischen an manchen Stellen in der obersten Schicht sechsmal mehr Mikrokunststoffabfall als Plankton. Wenn Kunststoff durch den mechanischen Abbau der Meereswellen puderfein zermahlen wird, ist die Oberfläche der Körnchen insgesamt sehr groß. So groß, dass Meerwasser oder Magensäure die Zusätze wie Flammschutzmittel, Weichmacher oder antimikrobielle Substanzen, die bei der Produktion dem Kunststoff zugefügt worden sind, freisetzen können. Außerdem saugen Mikrokunststoffpartikel Chemikalien wie ein Schwamm auf. Pestizide wie Dichlordiphenyltrichlorethan (DDT), Dioxine und chlorierte Biphenyle (PCB) dringen ein. An den Oberflächen des Kunststoffabfalls liegen ihre Konzentrationen tausendmal höher als im Meerwasser, sodass angenommen werden kann, dass die Schadstoffe innerhalb der Nahrungskette von Organismus zu Organismus weiter gegeben werden (Thompson et al., 2004). In der Atmosphäre gibt es feste Verunreinigungen wie Staub, feinen Sand, Ruß und Flugasche. Ihre Wirkung auf Kunststoffe beruht auf dem mechanischen Abrieb der Oberfläche. Durch die Aufrauhung der Oberfläche erhöhen sich die Wasseraufnahme und die Ablagerung von Verunreinigungen. So kann sich in einem zweiten Schritt ein geeigneter Nährboden für Mikroorganismen bilden (Ehrenstein & Pongratz, 2007). Hinzu kommt, dass der Kunststoffabfall als Treibgut im Meer im Laufe der Zeit auf den Meeresboden sinkt und ein Abbauprozess unwahrscheinlich wird. Gleichzeitig muss an dieser Stelle hinzugefügt werden, dass es gegenwärtig kaum wissenschaftliche Forschungen bzw. Ergebnisse über Folgeerscheinungen und Abbauverhalten von Kunststoffen im Meer gibt.

3.1.2 Chemischer Abbau

Aus chemischer Sicht stellen Kunststoffe organische Verbindungen dar. Diese organischen Verbindungen sind im Gegensatz zu vielen anorganischen Verbindungen (z.B. Salze) verhältnismäßig reaktiv, d.h. sie gehen schon bei relativ moderaten Bedingungen chemische Reaktionen ein. Einige der funktionellen chemischen Gruppen in Kunststoffen sind anfällig für Einwirkungen von chemischen Reagenzien. Das Reagenz muss zunächst in den Kunststoff diffundieren, ansonsten bleibt die Wirkung nur auf die Oberfläche beschränkt (Kap. 3.2.2.1). Die Geschwindigkeit dieser Diffusion hängt von chemischen (z.B. ähnlich funktionellen Gruppen) und von physikalischen Faktoren (z.B. kristalline Bereiche, die keine Zwischenräume für ein Eindringen bieten) ab. Allgemein gilt für den chemischen Abbau von Kunststoff, dass dieser beständig gegen schwache Säuren, Basen und wässrige Salzlösungen ist. Stark oxidierend wirkende Stoffe hingegen vermögen einen Abbau. Im einfachsten Fall bewirken diese eine Verfärbung, bis hin zu einer Versprödung und einem Materialabbau. Kunststoffe mit Ester-, Amid- und vergleichbaren Gruppen sind anfällig für eine Hydrolyse durch die Einwirkung von Wasser, insbesondere bei höheren Temperaturen. Treibstoffe, Fette, Öle und organische Lösungsmittel sind den Kunststoffen in ihrer chemischen Struktur ähnlich. Damit sind sie in der Lage viele Kunststoffe zu quellen oder sogar zu lösen (Menges et al., 2002; Ehrenstein & Pongratz, 2007).

3.1.3 Abbau von Kunststoff durch atmosphärische Einwirkungen

Es gibt eine Vielzahl von atmosphärischen Einwirkungen auf Kunststoff, die eine Änderung der Farbe, Verschlechterung der Oberflächenstruktur sowie Änderung der mechanischen Eigenschaften wie Reißdehnung, Reißfestigkeit, Schlagzähigkeit, Dimensionsänderungen oder Rissbildungen an der Oberfläche hervorrufen und somit zu einer Alterung des Kunststoffes führen. Atmosphärische Einflussgrößen sind: UV-Strahlung, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, Verunreinigungen, Schadgase wie Schwefeldioxid (SO2) und Ozon (O3) und sonstige Industrieabgase sowie der Sauerstoffgehalt der Luft. Der einflussreichste atmosphärische Faktor ist die UV-Strahlung (bzw. Lichtstrahlung). Photo-oxidative ebenso wie photolytische Reaktionen sind die Grundlage des Abbaus von Kunststoff unter Lichteinfluss (Ehrenstein & Pongratz, 2007).

3.1.4 Thermischer und thermisch-oxidativer Abbau

Unter thermischem Abbau versteht man den Abbau von Kunststoff bei erhöhten Temperaturen ohne Anwesenheit von Sauerstoff. Die Abbaugeschwindigkeiten und die spezifischen Reaktionsmechanismen hängen dabei von der Struktur des Kunststoffes und der Temperatur ab. Unter thermisch-oxidativem Abbau versteht man dagegen den Abbau von Kunststoffen in Anwesenheit von Sauerstoff. Er findet bei weitaus tieferen Temperaturen als der rein thermische Abbau statt. Hinsichtlich des Kunststoffrecyclings wird der thermische Abbau (Pyrolyse) zum rohstofflichen Recycling und der thermisch-oxidative Abbau (Verbrennung) zum Feld des energetischen Recyclings gezählt (Endres & Siebert-Raths, 2009). Der ökologische Vergleich und die Bewertung der verschiedenen Entsorgungsoptionen von Altkunststoffen sind schwierig. Daher sind sie oft Inhalt von umweltpolitischen Diskussionen (Kap. 7 und 8).

3.1.4.1 Thermischer Abbau

Ein anderer Begriff für die thermische Spaltung organischer Moleküle ist der Begriff der Pyrolyse. Durch hohe Temperaturen wird hier ein Bindungsbruch innerhalb der Polymere erzwungen. Dies geschieht unter anaeroben Bedingungen, also unter Sauerstoffausschluss, um die Verbrennung zu verhindern. Seit den 1970er Jahren wurden hierzu zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Es wurde untersucht, ob die Pyrolyse ein geeignetes Verfahren darstellt, aus Abfällen mit hohen organischen Anteilen, Rohstoffe zurückzuführen. Ein technisches Verfahren im Rahmen der Kunststoffverwertung ist die Wirbelschicht-Pyrolyse nach dem Hamburger Verfahren von Hansjörg Sinn und Walter Kaminsky. Ziel ist die Gewinnung von Produkten, die als Ausgangsstoffe (Recyclat) in der chemischen oder petrochemischen Industrie eingesetzt werden können. Dabei wird der Kunststoff in einem Wirbelschichtreaktor bei Temperaturen zwischen 300°C und 900°C unter Sauerstoffausschluss zersetzt. Es können Reinkunststoffe sowie Kunststoffgemische, wie sie z.B. im Hausmüll vorkommen, pyrolysiert werden (Sinn & Kaminsky, 1996).

3.1.4.2 Thermisch-oxidativer Abbau

Der thermisch-oxidative Abbau spielt u.a. eine Rolle bei der Verwertung von Kunststoff(abfällen). Die Kunststoffe werden im Zuge des Recyclingkreislaufes unter Nutzung der dabei entstehenden Wärmeenergie verbrannt (z.B. Ersatzbrennstoff in Kraftwerken). Wie bei den meisten organischen Verbindungen entstehen auch beim Verbrennen der organischen Verbindungen von Kunststoffen hauptsächlich Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O) als Produkte. Die Oxidation von Kohlenwasserstoffen durch Sauerstoff wird auch als Autoxidation bezeichnet. Es handelt sich dabei um sehr komplexe Radikalreaktionen, die zur Spaltung, Verzweigung und Vernetzung der Polymerketten sowie zur Bildung niedermolekularer Reaktionsprodukte führen (Müller, 2001). Zusätzlich zu Kohlenstoffdioxid und Wasser können bei manchen konventionellen Kunststoffen, je nach Zusammensetzung, auch weitere toxische und nicht toxische Oxidationsprodukte entstehen. Am Beispiel von Polypropylen soll im Folgenden der oxidative Abbau dargestellt werden. Die Aktivierungsenergie für den oxidativen Abbau von Polypropylen beträgt 65 bis 85 kJ/mol. Zu Beginn verläuft die Oxidation von Polypropylen noch homogen und wird dann, mit fortschreitender Oxidation, heterogen strukturiert. Heterogen heißt, dass sich im teilweise noch optisch unveränderten Material orange verfärbte, sehr spröde Bereiche hochoxidierten Materials befinden (Abb. 4 und Abb. 5) (Ehrenstein & Pongratz, 2007).

Eine Oxidation von Polypropylen (PP) aus der Sicht der Werkstoffindustrie bedeutet eine Versprödung und einen drastischen Verlust an Festigkeit und Flexibilität. Aus dem Blickwinkel der nachnutzenden Verwertungs- oder Recyclingindustrie bedeutet eine Oxidation von Polypropylen in allererster Linie einen hohen Heizwert, der dem von Heizöl entspricht. Setzt man eine Verbrennung in modernen Anlagen voraus, ist mit keiner signifikanten Luftbelastung zu rechnen. Wegen vorhandener Flammschutzmittel (z.B. Chlorparaffine, Bromverbindungen = Additive) erzeugt die Verbrennung der Polypropylen-Kunststoffe halogenhaltige Rückstände, wie ätzende Salzsäure oder sehr toxische Dioxine. Diese müssen sorgfältig aus dem Abgas heraus geschleust und deponiert werden (Stiftung Warentest, test 8/2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4 Heterogene Oxidation von Polypropylen (Ehrenstein & Pongratz, 2007)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5 Vergrößerter farbiger Ausschnitt von Abb. 4 (Ehrenstein & Pongratz, 2007)

3.2 Biotische Transformationen

Biotische, mikrobielle Umwandlungsprozesse in Gewässern, Sedimenten und Böden erfolgen mit Hilfe von Enzymen von Mikroorganismen. Nach physiologischen Gesichtspunkten kann der mikrobielle Abbau von Kunststoffen in:

- vollständiger Metabolismus,
- Sekundärsubstratverwertung,
- Cometabolismus und
- unspezifisch radikalische Oxidation unterschieden werden. (Reineke & Schlömann, 2007; Fetzner & Lingens, 1994)

3.2.1 Mikrobielle Abbautypisierung

3.2.1.1 Vollständiger Metabolismus

Mikroorganismen können Xenobiotika (altgr.: ξένος, xénos, 'fremd' – dem Leben fremde Stoffe) und somit auch (abbaubare) Kunststoffe als Primärsubstrat, d.h. als Kohlenstoffquelle für ihren Energiestoffwechsel, verwenden. „Xenobiotika sind synthetisch chemische Verbindungen, die nicht als natürliche Substanz existieren“ (Madigan & Martinko, 2009). Neben den konventionellen Kunststoffen zählen auch Pestizide, polychlorierte Biphenyle oder Sprengstoffe, wie z.B. militärische Altlasten, zu diesen Fremdstoffen. Einige Xenobiotika „sind strukturell mit Naturstoffen verwandt und können daher langsam durch Enzyme umgesetzt werden“ (Madigan & Martinko, 2009). Die Mikroorganismen wachsen durch das Verstoffwechseln der organischen Gruppen des Kunststoffes. Die Populationsdichte der Mikroorganismen nimmt zu, wodurch die Abbaugeschwindigkeit wiederum beschleunigt wird. Dieser Abbautyp resultiert in der Mineralisierung und führt zum vollständigen Abbau der organischen Moleküle zu den anorganischen Verbindungen CO2, H2O und Mineralsalzen unter aeroben bzw. CO2, CH4, H2O und Mineralien unter anaeroben Bedingungen (Reineke & Schlömann, 2007).

3.2.1.2 Sekundärsubstratverwertung

In biologischen Systemen liegen oft Schwellenkonzentrationen vor. Sind die organischen Verbindungen (als Primärsubstrat) zu gering konzentriert erfolgt kein Abbau mehr, da sie für ein Wachstum und die dazu erforderliche Energieausbeute nicht ausreichen. Folglich ist ein weiteres, ausreichend konzentriertes Substrat notwendig, mit denen die Mikroorganismen wachsen können. Die organischen Verbindungen können im Zuge der Sekundärsubstratverwertung mineralisiert werden. Daneben kann die Sekundärsubstratverwertung auch dazu führen, dass die prinzipiell abbaubaren organischen Verbindungen nicht mineralisiert, sondern unter Bildung von Metaboliten transformiert werden. Diese Metabolitenbildung bedeutet für das Primärsubstrat entweder eine Verringerung, Akkumulation oder gar eine Toxifizierung (Fetzner & Lingens, 1994).

3.2.1.3 Cometabolismus

Liegen in der Umwelt keine spezifischen Enzyme für den Abbau der organischen Verbindungen vor, kann ein Abbau dennoch im Zuge des Cometabolismus erfolgen. Manche Enzyme akzeptieren wegen ihrer Unspezifität die organischen Verbindungen in ihren aktiven Zentren und setzen sie in einer Art „Gratisreaktion“ um. Da der transformierende Mikroorganismus keinen Nutzen, wie etwa einen Wachstumsvorteil aus dieser Umsetzung erzielt, ist eine andere organische Verbindung als Primärsubstrat für das Wachstum notwendig. Für diesen Transformationstyp kommen praktisch alle bekannten Abbauwege in Betracht, die nicht zum Wachstum der Mikroorganismen führen. Die entstandenen Cometabolite dienen möglicherweise anderen Mikroorganismen als Primärsubstrate und werden weiter transformiert (Schinner & Sonnleitner, 1997).

3.2.1.4 Unspezifisch radikalische Oxidation

Insbesondere Pilze aber auch einige Bakterien besitzen Enzyme, wie Peroxidasen, welche im Zuge der unspezifisch radikalischen Oxidation meist Hydroxylgruppen in die abzubauenden organischen Verbindungen einfügen. Die gebildeten Metabolite sind wesentlich hydrophiler als die Ausgangsverbindungen und können von weiteren Mikroorganismen mittels spezifischen Enzymreaktionen abgebaut werden. Das ligninolytische Enzymsystem (Lignin-Peroxidasen, Mangan-Peroxidasen, Laccasen) von Weißfäulepilzen (z.B. Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Phlebia radiata) kann relativ persistentes Holz in der Natur abbauen, indem es auf den Abbau von dem Naturstoff Lignin spezialisiert ist (Reineke & Schlömann, 2007). Lignin (= Biopolymer) ist durch seine makromolekulare Struktur und seine fehlende Wasserlöslichkeit charakterisiert. Der Abbau erfolgt deshalb nur über extrazelluläre Enzyme. Mit ihrem ligninolytischen Enzymsystem sind die Weißfäulepilze fähig, durch radikalkatalysierte Spaltungsreaktionen Lignin zu depolymerisieren (Stottmeister, 2003). Dazu wird aus den aromatischen Kernen des Lignins ein Elektron entzogen, sodass instabile Radikale entstehen. Diese führen zur Spaltung der Arylseitenketten zwischen den α-ß-Atomen, zur Spaltung der Etherbrücken und des aromatischen Ringes sowie zur Hydroxylierung des Lignins (Reineke & Schlömann, 2007).

3.2.2 Der biologische Abbau

3.2.2.1 Biokorrosion vs. biologischer Abbau

Kunststoffe können durch Mikroorganismen, wie in Kapitel 3.1 aufgezeigt, transformiert werden. Gegen den Begriff des „biologischen Abbaus“ ist der Begriff der „Biokorrosion“ abzugrenzen, worunter die Veränderung der Materialeigenschaften einschließlich optischer Kriterien, wie z.B. Verfärbung, verstanden wird. Bei der Biokorrosion wird häufig nur ein Teil des Kunststoffes durch Mikroorganismen genutzt, was eine Versprödung oder optischen Zerfall zur Folge hat. Dabei handelt es sich um einen Scheinabbau (Abb. 6).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6 Mögliche Angriffspunkte von Enzymen hinsichtlich des biologischen Kunststoffabbaus und die Differenzierung von Biokorrosion und biologischen Abbau (verändert nach Witt et al, 1995)

Die Makromoleküle der Kunststoffe können aufgrund ihrer Molekülgröße die Zellmembran von Mikroorganismen nicht passieren und sind somit für diese nicht direkt bioverfügbar (Schlegel, 1992). Damit Mikroorganismen derartige Substanzen verwenden können, scheiden sie entweder spezielle extrazelluläre Enzyme aus, die dann auf der Kunststoffoberfläche anhaften und die Polymerkette in wasserlösliche Bruchstücke spalten. Oder die Enzyme sind adsorptiv oder kovalent an der Zellwand gebunden. Die Mikroorganismen müssen sich eng an die Polymeroberfläche anlagern, um die immobilisierten Enzyme mit dem Substrat in Kontakt zu bringen (Kleeberg, 1999). Infolge der enzymatischen Wirkung werden genügend kleine Oligomerfragmente gebildet und in die Zelle transportiert, wo sie verstoffwechselt werden. Sollen Mikroorganismen jedoch unter anderem dazu dienen Kunststoff(abfälle) mikrobiell zu entsorgen, darf der biologische Abbau nicht nur aus einem physikalischen Zerfall der Kunststoffe zu kleineren, nicht mehr sichtbaren Fragmenten bestehen (Biokorrosion). Stattdessen müssen alle hochmolekularen Komponenten von dem Organismus verdaut und letztendlich zu Wasser, Kohlenstoffdioxid und anderen natürlichen Stoffwechselprodukten umgewandelt werden.

3.2.2.2 Definition „Biologischer Abbau“

Wie ist nun der biologische Abbau von Kunststoff definiert? Um den Begriff des biologischen Abbaus existieren zum Teil voneinander abweichende Definitionen. Nach der alten DIN V 54 900 ist unter biologischem Abbau ein „durch biologische Systeme (gewöhnlich Bakterien oder Pilze) ausgeführter Prozess, bei dem eine Polymerkette enzymatisch gespalten wird“ (Endres & Siebert-Raths, 2009), zu verstehen. In dieser Definition ist jedoch nicht der Abbau zu niedermolekularen Endprodukten aufgeführt, sodass eine modifizierte Definition wie folgt lauten kann:

Ein Kunststoff ist biologisch abbaubar, wenn alle organischen Bestandteile in geeigneter Umgebung durch z.B. Oxidation, Hydrolyse, Photodegradation (abiotische Transformation) oder enzymatischen Angriff (biotische Transformation) in kleinere Fragmente gespalten werden, welche dann von Mikroorganismen aufgenommen und vollständig zu Biomasse, Kohlenstoffdioxid oder Methan und Wasser umgesetzt und somit mineralisiert werden können. Der Abbau kann unter aeroben und anaeroben Bedingungen stattfinden. Je nach Umgebung und Material können die verschiedenen Abbauarten auch synergetisch, gleichzeitig oder nacheinander ablaufen. Grundsätzlich müssen daraus niedermolekulare, anorganische Spaltprodukte entstehen, die sich wieder problemlos in den natürlichen Kohlenstoffkreislauf (Abb. 7) einschleusen lassen (Tänzer, 2000; Neff-Koster, 2001).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7 Einordnung der biologisch abbaubaren Kunststoffe in den

Kohlenstoffkreislauf (verändert nach Neff-Koster, 2001)

Der in dieser Arbeit verwendete Begriff der biologischen Abbaubarkeit bezieht sich konkret auf die Abbauwirkung von natürlich vorkommenden Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Algen) auf Kunststoff, die es vermögen alle organischen Bestandteile vollständig abzubauen. In der Literatur werden oftmals „klassische“ Abbauarten (hier die abiotischen Transformationen) von Kunststoff verhandelt, die einen vermeintlich vollständigen Abbau von Kunststoff suggerieren. Anzudenken wäre hier, ob diese Abbauarten unter dem Begriff 'Transformationsarten von Kunststoff' zu verhandeln sind, um mit einem transparenteren Begriff bezüglich des biologischen Abbaus arbeiten zu können. Nur durch den Zusatz 'biologisch' ist ein vollständiger Abbau von Kunststoff – Mineralisation – definiert. Daraus schlussfolgernd sind die Kategorien abiotische Transformation (z.B. mechanischer, chemischer, thermisch und thermisch-oxidativer Abbau) von Kunststoff und biotische Transformation (mikrobieller/ biologischer Abbau) gegenüber zu stellen (Reineke & Schlömann, 2007). Hierbei handelt es sich um Modellvorstellungen. So schließt z.B. ein mikrobieller Abbau von Kunststoff eine eventuell zuvor stattgefundene, mechanische Transformation nicht aus.

3.2.2.3 Einflussgrößen des biologischen Abbaus

Im Zuge des Abbaus werden die Oligomere in Biomasse, Minerale, Salz, Wasser und Gase (CO2, CH4, N2) umgewandelt. Unter den dafür erforderlichen äußeren Bedingungen sollten 100 % eines Kunststoffes abgebaut werden können. Dies gelingt jedoch in vielen Fällen nicht, weil mindestens einer der dafür erforderlichen Faktoren nicht gegeben ist (z.B. ungenügender Feuchtigkeitsgehalt oder Anwesenheit von Sauerstoff bei anaerob wirkenden Mikroorganismen). Aus der Natur sind die Beispiele des unvollständigen Abbaus von natürlichen Polymeren, wie Lignin, Cellulose und Stärke, in sehr trockenen Gebieten sowie die Bildung von Huminstoffen und anderen höheren Kohlenstoffgehalt enthaltenden Verbindungen unter Luftabschluss bekannt (Tänzer, 2000).

3.2.2.3.1 Einflussgröße Mikroorganismen

Für den biologischen Abbau von Kunststoff sind mikrobielle Aktivitäten erforderlich. Mikroorganismen müssen über einen geeigneten biochemischen Mechanismus zur Synthese von Enzymen verfügen, um den Abbau von Polymeren zu initiieren. Darüber hinaus ist es wichtig, dass von ihnen eine ausreichende Enzymkonzentration erzeugt werden kann und sie fähig sind zur Verstoffwechselung von Monomeren und Oligomeren aus dem Depolymerisationsprozess. Der Cometabolismus (Kap. 3.2.1.3), bei dem Depolymerisation und Metabolisierung als sekundäre Effekte stattfinden, kann auch auftreten. Dabei ereignet sich der Abbauprozess auf Grund der Unspezifität eines Enzyms, welches durch den Mikroorganismus für andere metabolische Prozesse gebildet wurde. Weitere Faktoren, die den mikrobiellen Abbau beeinflussen sind: die Wirkungsweise des Mikroorganismus (aerob/ anaerob), die Art des Enzyms (hydrolytisch/ oxidativ) sowie die Stabilität und lokale Bindung des Enzyms (intra-/ extrazellulär) und die Kinetik des Einflusses von Inhibitoren oder beschleunigenden Agenzien (Tänzer, 2000).

3.2.2.3.2 Einflussgröße Kunststoff

Das abzubauende Substrat Kunststoff muss bestimmte Mindestanforderungen erfüllen. Um den Abbau zu initiieren muss die jeweilige Polymerkette chemische Bindungen enthalten, die einer Hydrolyse oder Oxidation zugänglich sind. Der Grad sowie der Typ der Verzweigung der Polymerkette spielen dabei eine wichtige Rolle, da z.B. für verzweigte Ketten andere Enzyme zum Abbau notwendig sind. Die Molmassenverteilung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Geschwindigkeit der Depolymerisation. Diese wird durch die Enzymzugänglichkeit, die Kettenbeweglichkeit, die Kristallinität (je höher die Kristallinität desto geringer die Hydrolisierbarkeit) und andere morphologische Eigenschaften beeinflusst. Wechselwirkungen mit anderen Polymeren müssen berücksichtigt werden, da diese als Barriereschicht gegen Feuchtigkeits- oder Gasdiffusion wirken können. Eine Beeinflussung durch weitere Prozesse, wie Hydrolyse, Oxidation, photo-chemischer Abbau oder mechanischer Abbau, ist möglich. Diese zahlreich beschriebenen Faktoren, mit ihren z.T. sich überlagernden Wechselwirkungen, erschweren unter realen Verhältnissen die Einstellung reproduzierbarer Bedingungen für wissenschaftliche Untersuchungen oder den Abbau durch technische Großanlagen, wie z.B. Kompostierungsanlagen (Tänzer, 2000; Ehrenstein & Pongratz, 2007).

3.2.2.3.3 Einflussgröße Umgebung

Die physikalisch-chemischen Umgebungsbedingungen wirken sich sehr stark auf den mikrobiellen Abbau aus. Durch abiotische Hydrolyse (pH-Wert, Wassergehalt) oder physikalische Desintegration (Temperatur, mechanische Zerkleinerung) kann der nachfolgende, biologische Abbau durch eine Vergrößerung der, dem mikrobiellen Abbau zugänglichen Polymeroberfläche positiv beeinflusst werden. Auch die Entwicklung der Mikroorganismen (Artenvielfalt, Konzentration, Aktivität, Adaption) wird von umweltspezifischen Einflussgrößen bestimmt. Hier sind vor allem die An- und Abwesenheit von Sauerstoff, Wassergehalt, Temperatur und pH-Wert, das Nährstoffangebot sowie die Verfügbarkeit alternativer Kohlenstoffquellen zu nennen (Welzel, 2003). Umgekehrt beeinflussen der Zerfall der Polymere in eine Vielzahl kleiner Partikel oder die Metabolisierung der Polymere zu wasserlöslichen Produkten die Struktur, den pH-Wert und den Nährstoffgehalt der Umgebung. Daraus resultiert das Gefährdungspotential für die Umwelt, da Kunststoff sich in ihr anreichert und ein langlebiges, unter Umständen toxisches Metabolit darstellt. Mikroorganismen wiederum können entweder direkt, durch Ausscheidung von Stoffwechselprodukten (z.B. Säuren) oder indirekt, durch Sekretion von Enzymen, welche die Bildung reaktiver Reagenzien in der Umgebung katalysieren, Änderungen der Umgebungsbedingungen bewirken (Ehrenstein & Pongratz, 2007). Die Abbildung 8 gibt einen zusammenfassenden Überblick über die Schlüsselelemente des biologischen Abbaus von Kunststoff.

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Details

Seiten
99
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783640494460
ISBN (Buch)
9783640494538
Dateigröße
5 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v141045
Institution / Hochschule
Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald
Note
1,0
Schlagworte
Abbau Kunststoff

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Titel: Der biologische Abbau von Kunststoff