Bestimmung des Zersetzungsgrades von biologisch abbaubaren Kunststoffmaterialien unter nachgebildeten Heimkompostierungsbedingungen in Anlehnung an ISO 20200:2015 als Feldversuch

Abstract

Today, plastic can be found in almost all areas of everyday life. Its properties - long durability, moldability, low weight, low manufacturing costs - provide unlimited applications. However, the disadvantages of plastics are becoming increasingly apparent: eventually the products become waste. This leads to enormous damage in climate and environment no matter how advanced a waste management is. Plastics are largely synthesized from organic materials such as petroleum, cellulose and coal. This results in resource consumption of raw materials and land. Furthermore, the monocultures cause a loss of biodiversity. A huge quantity of the plastic produced ends up in the environment. The decomposition process is very slow. Over time, the plastic parts decompose into smaller and smaller fragments. These are ingested by organisms and hence enter the ecosystems. Meanwhile, plastic particles can be found almost everywhere: in rivers, lakes, oceans and in the soil. In addition, it already has been found in many foods and in drinking water. To give plastics the desired attributes, many chemicals are used, such as antioxidants, plasticizers, flame retardants, biocides, and UV and heat stabilizers. They often also contain residues of the starting and auxiliary materials from the manufacturing process. For plasticizers alone, a large number of harmful effects on aquatic organisms have been proven. This being the case, alternative products appear desirable. These products should not pose a permanent impact on humans and the environment. For the production fewer resources should be consumed. The market for so-called "bioplastics" is growing steadily. Bioplastics consist of different materials with different qualities. It is considered a bioplastic if it is either biobased or biodegradable or both. This paper examines the status of bioplastics and their use, focusing on biodegradable plastics. Critical points and oppositions to their production, application and use are listed. Options of different disposal methods are presented and the limitations of the current technical standards of several countries in Europe are explained. The biodegradable plastics can disturb the composting process or reduce the compost quality. These materials are thermally recycled. The EU project Bio-Plastics Europe also deals with sustainable strategies and solutions for biobased and biodegradable plastics. Products are being created whose material properties should be qualitatively comparable to those of conventional plastics. The raw materials come from renewable sources that do not compete with the food supply. The aim of this thesis is to determine the degree of decomposition of materials from the EU project. These materials are PLA, PBS and PHBV. At present there is only limited data on the biodegradation of bioplastics in garden compost. For the labeling of a biodegradable plastic standardized requirements has been developed. The time period within which a biodegradable plastic decomposes and the degree of decomposition depend on several parameters. Plastics labeled as biodegradable often only degrade under specific conditions that are not met in a natural environment. Therefore, the degradability in home compost is investigated. For this purpose, a test method is being developed which is based on near-natural conditions. EN ISO 20200:2015 is used as the scientific basis. Over an 8-week composting period in a rotatable drum composter, the composting process and the test materials are observed and documented. After this period, an analysis of the test material is carried out using Differential Scanning Calorimetry (DSC). In addition, the possible release of chemicals is tested. For this purpose, compost samples are taken every two weeks and are tested for the pollutant groups PCB and PAH using gas chromatography. The results show that there is no noticeable decomposition after the said testing period. As for the release of pollutants, few PCBs are detected in the compost. It can be assumed that this is a background contamination, no pollutants seem to be released from the test material.

Kunststoffe sind heute in fast allen Bereichen des täglichen Lebens zu finden. Ihre Eigenschaften – lange Haltbarkeit, Formbarkeit, geringes Gewicht, niedrige Herstellungskosten – ermöglichen praktisch unbegrenzte Anwendungen. Die Nachteile von Kunststoffen werden jedoch immer deutlicher: Irgendwann werden die Produkte zu Abfall. Trotz des fortschrittlichen Abfallsystem bedeutet dies enorme Schäden für Klima und Umwelt. Kunststoffe werden zum Großteil aus organischen Stoffen wie Erdöl, Cellulose und Kohle synthetisiert. Dies führt zu einem Ressourcenverbrauch von Rohstoffen und Flächen und durch Monokulturen zum Verlust der biologischen Vielfalt. Ein bedenklich hoher Anteil des produzierten Kunststoffes gelangt in die Umwelt, wo er nur sehr langsam abgebaut werden kann. Mit der Zeit zersetzen sich die Kunststoffteile in immer kleinere Fragmente, die von Organismen aufgenommen und so in die Ökosysteme eingetragen werden. Inzwischen finden sich Kunststoffpartikel nahezu überall: in Flüssen, Seen, Meeren und in den Böden. Neben den Funden in den Umweltkompartimenten ist Plastik bereits in vielen Lebensmitteln und im Trinkwasser gefunden worden. Um Kunststoffen die gewünschten Eigenschaften zu verleihen, werden viele Chemikalien wie Antioxidantien, Weichmacher, Flammschutzmittel, Biozide sowie UV- und Wärmestabilisatoren eingesetzt. Häufig enthalten sie auch Rückstände der Ausgangs- und Hilfsstoffe aus der Herstellung. Allein für Weichmacher ist eine Vielzahl an schädlichen Wirkungen auf aquatische Organismen nachgewiesen. Vor diesem Hintergrund erscheinen Kunststoffprodukte wünschenswert, die auch bei nicht fachgerechter Entsorgung keine dauerhafte Belastung für Mensch und Umwelt darstellen und für deren Herstellung weniger Ressourcen verbraucht werden. Der Markt für sogenanntes „Bioplastik“ wächst stetig. Diese Biokunststoffe bestehen aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften. Es wird von Bioplastik gesprochen, wenn es entweder biobasiert oder biologisch abbaubar ist oder beide Eigenschaften aufweist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem aktuellen Stand im Umgang mit Biokunststoffen und deren Einsatz, wobei biologisch abbaubare Kunststoffe im Fokus stehen. Kritikpunkte und Einwände hinsichtlich Herstellung, Einsatz und Gebrauch werden aufgeführt. Es werden Optionen verschiedener Entsorgungswege vorgestellt und die Grenzen des derzeitigen technischen Stands in mehreren Ländern Europas erläutert. Die biologisch abbaubaren Kunststoffe können den Kompostiervorgang stören oder die Kompostqualität herabsetzen. Diese Materialien werden überwiegend der thermischen Verwertung zugeführt. Auch das EU-Projekt Bio-Plastics Europe beschäftigt sich mit nachhaltigen Strategien und Lösungen für biobasierte und biologisch abbaubare Kunststoffe. Es werden Produkte kreiert, deren Materialeigenschaften qualitativ mit denen herkömmlicher Kunststoffe vergleichbar sein sollen. Die Rohstoffe stammen aus erneuerbaren Quellen, die nicht mit der Lebensmittelversorgung in Konkurrenz stehen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, den Zersetzungsgrad von Materialien des EU-Projekts zu bestimmen. Hierbei handelt es sich um die Kunststoffe PLA, PBS und PHBV. Die allgemeine Datenlage über die biologische Zersetzung von Biokunststoffen im Gartenkompost ist noch sehr gering. Zur Kennzeichnung eines biologisch abbaubaren Kunststoffs existieren normierte Anforderungen. Die Zeitdauer, innerhalb derer sich ein biologisch abbaubarer Kunststoff zersetzt, sowie der Grad der Zersetzung sind von mehreren Parametern abhängig. Kunststoffe, die als biologisch abbaubar gekennzeichnet sind, sind häufig nur unter spezifischen Bedingungen abbaufähig, die in einer natürlichen Umgebung, nicht erfüllt werden. Deswegen soll hier die Abbaubarkeit im Gartenkompost untersucht werden. Dafür wird ein Prüfverfahren entwickelt, welches auf naturnahen Bedingungen basiert. Als wissenschaftliche Grundlage dient die EN ISO 20200:2015. Organischer Feststoffabfall und Prüfmaterialien werden in einen Trommelkomposter gegeben. Über einen 8-wöchigen Zeitraum werden der Kompostierungsprozess und die Zersetzung der Prüfmaterialien beobachtet und dokumentiert. Nach diesem Zeitraum wird eine Analyse des Prüfmaterials mittels einer Dynamischen Differenzkalorimetrie (DSC) durchgeführt. Zudem wird die mögliche Freisetzung von Chemikalien geprüft. Dazu werden alle zwei Wochen Kompostproben entnommen und mithilfe einer Gas-Chromatographie auf die Schadstoffgruppen PCB und PAK geprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass nach der besagten Prüfzeit keine auffällige Zersetzung festzustellen ist. Was die Freisetzung von Schadstoffen betrifft, so wurden wenige PCBs in dem Kompost nachgewiesen. Es ist davon auszugehen, dass es sich dabei um eine Hintergrundbelastung handelt, vom Prüfmaterial scheinen keine Schadstoffe freigesetzt zu werden.