Von der Kunst, Kunststoffe wiederzuverwerten

Hai-Skulptur, vollständig aus Meeres-Plastikabfällen hergestellt, ©WashedAshore.org
Hai-Skulptur, vollständig aus Meeres-Plastikabfällen hergestellt,
© WashedAshore.org

Kunststoffe haben viele positive und einzigartige Eigenschaften: Je nach Sorte kann Kunststoff enorm dehnbar, elastisch oder starr, wasserunlöslich, klebrig, wärmeverformbar, leichter als Wasser, schlagzäh, manchmal doppelbrechend, transparent oder undurchsichtig, nichtleitend, mithin stärker als Stahl und scheinbar ewig haltbar sein.

 

Doch trotz dieser enormen Spannbreite von Eigenschaften liegt allen Kunststoffsorten eine gemeinsame molekulare Struktur zu Grunde. Sie alle bestehen aus langen Ketten von sich wiederholenden Moleküleinheiten, aufgereiht ähnlich wie die Perlen auf einer Schnur. Der deutsche Chemiker Hermann Staudinger gilt als Entdecker dieser Substanzklasse der Riesenmoleküle (Makromoleküle). 1953 erhielt er für seine Forschungen zum Aufbau der Kunststoffe den Nobelpreis.


Das Wort „Plastik“ leitet sich etymologisch von den griechischen Wörtern „plastike“ für „Bildhauerkunst“ und „plassein“ für „bilden, formen“ ab. Es geht also im Ursprung des Wortes um formende bzw. formgebende Kunst. Und noch heute steht das Wort „Plastik“ für ein bildhauerisches Kunstwerk. Daneben hat es eine Bedeutungserweiterung erfahren: Umgangssprachlich bezeichnet „Plastik“ Kunststoffe jeglicher Art.

Die Werkstoffklasse der Kunststoffe ist ein relativ neues Gebiet in der Chemie, das sich erst in den letzten 150 Jahren entwickelte. Das Fachgebiet wird heutzutage als Polymerchemie oder Makromolekulare Chemie bezeichnet. Eines der ersten deutschen Unternehmen, das im industriellen Maßstabe Kunststoffe herstellte, waren die BUNA Werke in Schkopau. Sie wurden 1936 gegründet und produzierten synthetischen Kautschuk, hergestellt aus Butadien und Natrium, daher der Name BUNA-Werke. Schon früh ließen sich die BUNA-Werke die Markennamen Plaste für starre Kunststoffe und Elaste für elastische Kunststoffe eintragen. In den 50iger Jahren des vorigen Jahrhunderts lautete der BUNA-Werbeslogan: „Plaste und Elaste aus Schkopau“. Die Kunststoffe, die in die Gruppe der Plasten eingeordnet waren, ließen sich unter Wärmebehandlung verformen (PVC etc.). Diese Eigenschaft trifft für viele der heutigen Massenkunststoffe zu. So wurde der Markenname Plaste abgewandelt in die internationale Bezeichnung „Plastik“ (englisch: plastic, französisch: plastique, spanisch: plastico, italienisch: plastica).


Ex und Hopp

Kunststoffe sind aus dem Alltagsleben der Menschen, überall auf der Welt, nicht mehr wegzudenken. Aber es hat sich gezeigt: Die Bequemlichkeit des Wegwerfartikels ist teuer erkauft. Im Pazifik werden Gebiete aus schwimmendem Plastikmüll gesichtet, die so groß wie Zentraleuropa sind. Nach Schätzungen von Greenpeace1  befinden sich schon mindestens 150 Millionen Tonnen in den Meeren und jährlich kommen mehr als 13 Millionen Tonnen Plastikabfälle hinzu. In den Mägen von Fischen und anderen Meerestieren finden sich Plastikrückstände, Seevögel verenden, weil sie Plastikmüll schlucken. Im Laufe der Zeit wird der Kunststoffmüll zu mikroskopisch kleinen Teilen zerrieben, die von den Meerestieren mit Plankton verwechselt und gefressen werden und sich anschließend im Gewebe der Tiere anreichern können. Am Ende der Nahrungskette steht der Mensch, der beim Verzehr der Fische diese Kleinsteile wiederum aufnimmt.


Die Geister, die ich rief

Leider wurde eine anfänglich gefeierte Eigenschaft der Kunststoffe nicht in letzter Konsequenz bedacht. Plastik baut sich nur sehr langsam wieder ab, ist also enorm langlebig. Es braucht viele Jahrzehnte, teilweise Jahrhunderte, bis der Plastikmüll sich zersetzt hat. So wird Kunststoff zwangsläufig zu einer höchst problematischen Müllsorte. Ursächlich für diese Langlebigkeit ist die Molekülstruktur. Die langen Kettenmoleküle lösen sich nicht schnell wieder in ihre Grundbausteine auf, sondern sind chemisch gesehen äußerst stabil. Der Plastikmüll verrottet also nicht, sondern summiert sich zu riesigen Müllbergen an Land wie auch im Meer.

Dabei sind Kunststoffabfälle – wirtschaftlich gesehen – viel zu wertvoll, um sie wegzuwerfen. Erst nach und nach setzt sich die Erkenntnis durch, dass Plastikmüll eine Art Rohstoff ist. Und das ist in seinem Herstellungsprozess begründet: Um Kunststoffe zu erzeugen, werden viele gleiche Einzelmoleküle durch eine Reaktion aneinander gereiht zu Riesenmolekülen. Die chemischen Einzelbausteine (Monomere) werden in der Regel aus Erdöl gewonnen. Es macht also Sinn, den Plastikmüll zu recyceln oder für die Energiegewinnung zu nutzen.


Um Kunststoffrecycling gibt es keinen Erfindungswettlauf

Mithilfe einer Patentrecherche kann überprüft werden, ob der Marktwert von Plastikabfällen erkannt worden ist und dies zu erhöhten Forschungs-und Entwicklungsaktivitäten geführt hat. Die Patentrecherche und ihre Auswertung wurden auf der neuen STN-Plattform in der Datenbank Derwent World Patent Index (DWPISM) durchgeführt. Dabei wurde eine Schlagwortsuche kombiniert mit relevanten Klassifikationen der International Patent Classification (IPC) und der Cooperative Patent Classification (CPC).


STN ist ein Informations-Service für Forschungs- und Patentinformation. Es bietet, auf einer neutralen Plattform gebündelt, den Online-Zugriff auf qualitativ hochwertige Datenbanken. Ein inhaltlicher Schwerpunkt von STN liegt bei der Patentinformation. In Kombination mit den hoch entwickelten Funktionalitäten in Retrieval, Analyse und Visualisierung, gewährleistet STN präzise Recherchen und aussagestarke Analysen der Suchergebnisse. Aus diesem Grund nutzen Informationsspezialisten in Industrieunternehmen und Patentämtern bevorzugt STN.
 
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Die Analyse des Rechercheergebnisses zeigt: Kunststoffrecycling ist ein innovativer Technologiebereich, allein einen Hype hat es darum nie gegeben. Seit dem Jahr 2000 gibt es erkennbar leichte Schwankungen in der Anzahl der Patentveröffentlichungen, aber keineswegs einen signifikanten Anstieg. Die Patentzahlen erscheinen im Mittel konstant. Erst ab dem Jahr 2013 steigen die Patentveröffentlichungen weltweit an, wenn auch nur moderat. Es bleibt abzuwarten, ob dieser Anstieg von Dauer sein wird. Die Veröffentlichungszahlen für das Jahr 2016 sind noch nicht belastbar, daher wurden sie nicht in die Auswertung mit einbezogen. Das nachfolgende Diagramm zeigt die internationalen Patentveröffentlichungen der letzten 15 Jahre.

Abbildung 1: Anzahl der weltweiten Patentpublikationen in Abhängigkeit vom Publikationsjahr (PY.B)
Abbildung 1: Anzahl der weltweiten Patentpublikationen in Abhängigkeit vom Publikationsjahr (PY.B)

Die Patentrecherche zeigt aber auch deutlich, dass es technische Lösungen gibt, um des Plastikmülls Herr zu werden. Nachfolgend werden einige Ideen im Bereich Kunststoffverwertung vorgestellt.


Die müllfressende Seekuh

Abbildung 2: Patentzeichnung aus dem Patent AU2015100062
Abbildung 2: Patentzeichnung aus dem Patent AU2015100062

Zurück zu den Plastikmüllstrudeln in den Weltmeeren. Sie stellen ein ernstzunehmendes Umweltproblem dar. Hier sind Innovationen gefragt, die helfen, das Problem anzugehen. Eine naheliegende Lösung ist rein mechanischer Natur. Die Werft Lübeck Yacht Trave Schiff GmbH hat einen speziellen Katamaran namens Seekuh2 entwickelt mit dessen Hilfe die Plastikmüllreste aus dem Meer quasi abgefischt werden sollen. Zwischen den Rümpfen des Katamarans ist eine bewegliche Netzkonstruktion angebracht. Die Seekuh soll nach den Vorstellungen ihrer Planer bei jeder Fahrt ca. 2 Tonnen aufnehmen, die dann zur Weiterverarbeitung an Land gebracht werden. Die ersten Müllsammelfahrten sind für Sommer 2016 geplant. Die Seekuh wird mit Solarenergie angetrieben und kann vollständig zerlegt werden, sodass sie in Container verpackt an jeden Einsatzort der Welt geschickt werden kann.

Auf der anderen Seite der Welt ist der australische Erfinder Wolfgang Flatow auf eine ähnliche Idee gekommen und hat sie zum Patent angemeldet (AU2015100062). Auch diese schwimmende Müllabfuhr ist eine Art solarangetriebener Katamaran. Darüber hinaus kann dieser nahezu autonom navigieren und benötigt deshalb keine Besatzung an Bord. Der schwimmende Müllsammler solar robotic barge3 soll mittels Satelliten die Kunststoffstrudel aufspüren, eigenständig aufnehmen und das Gesammelte zum nächstgelegenen Hafen bringen.

Diese Innovationen können helfen große Plastikstücke aus dem Ozean zu entfernen, für die Beseitigung der Mikropartikel gibt es bisher keine probate Lösung.


Müllverwertung an Land

Abbildung 3: Visualisierung der Vergasungsanlage der Firma Ecoloop GmbH, nach Patent DE102007062414 – Bildquelle: Ecoloop Conera Process Solutions GmbH
Abbildung 3: Visualisierung der Vergasungsanlage der Firma Ecoloop GmbH, nach Patent DE102007062414
Funktionsschema des Schachtreaktors: 1. Eingangsmaterial wird mit Kalk gemischt, bevor es in die heißen Reaktorzonen gelangt. 2. Material wird durch Schwerkraft gefördert und durch einen Drehteller-Austrag gesteuert. 3. Nach der Vergasung in den oberen Zonen wandert der übrige Pyrolysekoks in die Brennzone und liefert Energie für den Prozess. 4. In der Kühlzone wird der Kalk durch Luft und Wasser heruntergekühlt. 5. Synthesegas wird am oberen Reaktorkopf abgesaugt und Schadstoffe bleiben an den Feinkalk gebunden. 6. Schadstoffe werden mit Feinkalk und Asche ausgesiebt. 7. Grobkalk wird in den Prozess zurückgeführt, © Ecoloop

Das ist aber nur der erste Schritt. Ist der Plastikmüll an Land, muss mit ihm weiterverfahren werden. Bisher übernehmen diese Arbeit Müllerverbrennungsanlagen (MVA) mit einer nachgelagerten aufwändigen Rauchgasreinigung. Die öffentliche Akzeptanz dieser Anlagen ist trotz der Rauchgasreinigung gering.

Für eine umweltschonendere Plastikmüllverwertung an Land hat sich die Firma Ecoloop etwas Pfiffiges ausgedacht. Eine altbekannte Anlagentechnik aus dem Kalkbrennprozess wird neu genutzt. Dabei werden unsortierte Kunststoffabfälle geschreddert und mit grobem Kalk vermischt. Auch problematische Kunststoffabfälle und kontaminierte Materialien können direkt dem Prozess zugeführt werden, ohne vorherige Aufarbeitung. Die Mischung aus Kalk und Müll wird von oben in einem Schachtofen gegeben und im Gegenstrom zu Synthesegas umgewandelt.

 

Das gereinigte Endprodukt Synthesegas, kann wiederum Erdgas ersetzen oder als Rohstoff in der chemischen Industrie genutzt werden. Eine zentrale Rolle im Recyclingprozess spielt der Kalk. Er absorbiert Chlor und verhindert so die Bildung von hochtoxischen Dioxinen und Furanen. Es ist ein bekanntes Problem, dass z. B. bei der Verbrennung von PVC (Polyvinylchlorid) diese Giftstoffe entstehen. Der Prozess von Ecoloop lässt kein gefährliches Rauchgas entstehen – ein großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Müllverbrennungsanlagen. Zurzeit wird der Prozess in einer Pilotanlage getestet. Auch ein Patent wurde bereits angemeldet, um diese Technologie zu schützen.

Die vollständige Projektbeschreibung findet sich auf der Homepage des Informationsdienstes BINE.


Der BINE Informationsdienst von FIZ Karlsruhe vermittelt im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) praxisrelevante Ergebnisse der Energieforschung. Die BINE Fachredakteure recherchieren die Fakten und bereiten sie zielgruppenorientiert auf. Die gebündelten Informationen stammen aus Forschungslaboren, Studien, Pilotprojekten und Praxistests. Entwickler, Planer, Berater, Investoren, Energieversorger oder Nutzer erhalten einen aktuellen Überblick über den dynamischen Forschungsbereich Energie. 


Hält die Natur eine Lösung bereit?

Das Bakterium kann sich durch Turbo-Evolution optimal auf sein Plastikfutter einstellen
Das Bakterium kann sich durch Turbo-Evolution optimal auf sein Plastikfutter einstellen

Vielleicht hat die Menschheit Glück und das Kunststoffmüllproblem löst sich quasi von allein. japanische Forscher4 haben ein Bakterium  entdeckt, das mit Vorliebe den Kunststoff Polyethylenterephthalat (PET) verdaut und vollständig verstoffwechselt, um daraus Energie, Kohlenstoff und Wasser zu gewinnen. PET ist weitverbreitet, z. B. werden Plastikflaschen aus PET hergestellt. Das bisher unbekannte Bakterium heißt Ideonella Sakaiensis 201-F6. Vermutlich hat es sich erst entwickelt, nachdem der Kunststoff PET in der Natur als Müll aufgetaucht ist.

 

Das Bakterium hat sozusagen eine Turbo-Evolution durchlaufen, um sich optimal auf sein Plastikfutter einzustellen. Die Erforschung des Bakteriums steht erst am Anfang. Scheinbar läuft der bakterielle Abbau von PET relativ langsam und braucht optimale Bedingungen wie zum Beispiel eine Umgebungstemperatur von 30°. Doch die Forscher denken schon weiter: lassen sich Designer-Bakterien züchten, die passgenau bestimmte Plastiksorten verdauen?


Fußnoten
1 blog.greenpeace.de/artikel/kosmetik-ohne-plastik (zuletzt geprüft am 8.6.2016).
2 www.welt.de/wissenschaft/article150548030/Luebecker-Schiff-soll-Ozeane-von-Plastikmuell-saeubern.html.
3 www.oceanicplasticrecovery.com/Solution.html.
4 Shosuke Yoshida et al, A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate), Science 11 Mar 2016, Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196-1199, DOI: 10.1126/science.aad6359.