Forscher der hochrangigen School of Packaging der Michigan State University haben eine Möglichkeit entwickelt, eine vielversprechende, nachhaltige Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen biologisch abbaubarer zu machen.
Ein Team unter der Leitung von Rafael Auras hat eine biobasierte Polymermischung hergestellt, die sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich kompostierbar ist. Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht ACS Nachhaltige Chemie und Technik.
„In den USA und weltweit gibt es ein großes Problem mit Abfall und insbesondere mit Plastikmüll“, sagte Auras, MSU-Professor und Amcor-Stiftungslehrstuhl für Verpackungsnachhaltigkeit.
In den USA werden weniger als 10 % des Plastikmülls recycelt. Das bedeutet, dass der Großteil des Plastikmülls als Müll oder Müll landet, was wirtschaftliche, ökologische und sogar gesundheitliche Bedenken mit sich bringt.
„Durch die Entwicklung biologisch abbaubarer und kompostierbarer Produkte können wir einen Teil dieses Abfalls umleiten“, sagte Auras. „Wir können die Menge reduzieren, die auf einer Mülldeponie landet.“
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Kunststoffe, die für den Kompostbehälter bestimmt sind, nicht von Lebensmittelverunreinigungen gereinigt werden müssen, was ein großes Hindernis für ein effizientes Kunststoffrecycling darstellt. Recyclingbetriebe müssen sich regelmäßig entscheiden, ob sie Zeit, Wasser und Energie für die Reinigung schmutziger Kunststoffabfälle aufwenden oder sie einfach wegwerfen möchten.
„Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Kaffeetasse oder ein Mikrowellentablett mit Tomatensauce“, sagte Auras. „Sie müssten diese nicht abspülen oder waschen, Sie könnten sie einfach kompostieren.“
PLA und ein „Sweet Spot“ für Stärke
Das Team arbeitete mit sogenannter Polymilchsäure oder PLA, was in vielerlei Hinsicht eine offensichtliche Wahl zu sein scheint. Es wird seit über einem Jahrzehnt in Verpackungen verwendet und wird aus pflanzlichem Zucker und nicht aus Erdöl gewonnen.
Bei ordnungsgemäßer Handhabung sind die Abfallnebenprodukte von PLA völlig natürlich: Wasser, Kohlendioxid und Milchsäure.
Außerdem wissen Forscher, dass PLA in industriellen Kompostern biologisch abbaubar ist. Diese Komposter schaffen Bedingungen, wie z. B. höhere Temperaturen, die den Abbau von Biokunststoffen begünstigen als Heimkomposter.
Doch die Idee, PLA zu Hause kompostierbar zu machen, erschien manchen Menschen unmöglich.
„Ich erinnere mich, dass die Leute über die Idee gelacht haben, PLA-Heimkompostierung als Option zu entwickeln“, sagte Pooja Mayekar, Doktorandin in der Laborgruppe von Auras und Erstautorin des neuen Berichts. „Das liegt daran, dass Mikroben PLA nicht normal angreifen und verbrauchen können. Es muss so weit abgebaut werden, dass sie es als Nahrung nutzen können.“
Obwohl industrielle Kompostanlagen PLA bis zu diesem Punkt bringen können, heißt das nicht, dass sie es schnell oder vollständig schaffen.
„Tatsächlich scheuen viele industrielle Komposter immer noch davor zurück, Biokunststoffe wie PLA zu akzeptieren“, sagte Auras.
In seinen vom US-Landwirtschaftsministerium und MSU AgBioResearch unterstützten Experimenten zeigte das Team, dass PLA 20 Tage lang verbleiben kann, bevor Mikroben beginnen, es unter industriellen Kompostierungsbedingungen zu verdauen.
Um diese Verzögerungszeit zu beseitigen und die Möglichkeit der Heimkompostierung zu ermöglichen, haben Auras und sein Team ein aus Kohlenhydraten gewonnenes Material namens thermoplastische Stärke in PLA integriert. Neben anderen Vorteilen gibt die Stärke den Mikroben beim Kompostieren etwas, das sie leichter verzehren können, während das PLA abgebaut wird.
„Wenn wir über die Zugabe von Stärke sprechen, bedeutet das nicht, dass wir weiterhin Stärke in die PLA-Matrix schütten“, sagte Mayekar. „Hier ging es darum, einen idealen Punkt mit Stärke zu finden, damit sich PLA besser abbauen lässt, ohne seine anderen Eigenschaften zu beeinträchtigen.“
Glücklicherweise hatte der Postdoktorand Anibal Bher bereits verschiedene Mischungen aus PLA und thermoplastischer Stärke formuliert, um zu beobachten, wie sie die Festigkeit, Klarheit und andere wünschenswerte Eigenschaften normaler PLA-Folien bewahrten.
Gemeinsam mit dem Doktoranden Wanwarang Limsukon konnten Bher und Mayekar beobachten, wie diese verschiedenen Filme während des Kompostierungsprozesses unter unterschiedlichen Bedingungen zerfielen.
„Verschiedene Materialien durchlaufen zu Beginn des Prozesses auf unterschiedliche Weise eine Hydrolyse und werden am Ende biologisch abgebaut“, sagte Limsukon. „Wir arbeiten daran, den gesamten Weg zu verfolgen.“
Das Team führte diese Experimente mit Systemen durch, die Auras und ehemalige und aktuelle Labormitglieder während seiner 19 Jahre an der MSU größtenteils von Grund auf neu gebaut hatten. Auch die Ausrüstung, auf die die Forscher außerhalb ihres eigenen Labors in der School of Packaging Zugriff haben, macht einen Unterschied.
„Die Zusammenarbeit mit Dr. Auras, der School of Packaging, MSU – es ist großartig“, sagte Bher. „Weil wir irgendwann tatsächliche Produkte herstellen wollen. Wir nutzen Einrichtungen rund um den Campus, um Materialien herzustellen und ihre Eigenschaften zu testen. Die MSU bietet viele Ressourcen.“
„Es gibt einen Grund, warum dies eine der besten Schulen für Verpackung ist“, sagte Mayekar.
Mehr Informationen:
Pooja C. Mayekar et al., Breaking It Down: Wie thermoplastische Stärke den biologischen Abbau von Poly(milchsäure) in Kompost verbessert – eine vergleichende Analyse reaktiver Mischungen, ACS Nachhaltige Chemie und Technik (2023). DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c01676