Biologisch abbaubare Werkstoffe — Biologische Desintegration und Abbaucharakteristik

 

Biologie  |  Umwelt

 

Feliciano Graf, 2004 | 8330 Pfäffikon ZH, ZH

 

In der vorliegenden Arbeit sollte die Kompostierbarkeit von drei verschiedenen biologisch abbaubaren Werkstoffen (BAW) überprüft sowie deren Abbaucharakteristik untersucht werden. Es wurden die Materialien Mater-Bi, ecovio und Polymilchsäure (PLA) analysiert, wofür die Bedingungen einer industriellen Kompostieranlage simuliert und die biotischen wie auch die abiotischen Faktoren überprüft wurden. Es wurde sowohl der pH-Wert, die Temperatur, das C/N-Verhältnis und die Biozönose des Komposts während des Versuches ermittelt. Die Proben wurden in ein Gitter verpackt und im Kompost inkubiert, mittels einer Ultramikropräzisionswaage in unregelmässigen Abständen über insgesamt drei Monate gewogen und der erfolgte Abbau wurde visuell sowie quantitativ festgehalten. Ecovio sowie Mater-Bi konnten ihre Richtlinien einhalten und wurden binnen 12 Wochen gänzlich desintegriert, während PLA keinen Massenverlust, aber eine Veränderung der Materialeigenschaften zeigte. Dadurch konnte bewiesen werden, dass nicht die Herkunft der Ausgangsstoffe der BAW entscheidend für ihre biologische Abbaubarkeit ist, sondern vielmehr ihre chemische Struktur.

Fragestellung

Die Durchführung dieser Arbeit richtete sich nach drei Fragestellungen: (I) Inwieweit sind BAW kompostierbar? (II) Halten die Kunststoffe die internationalen Normen ein, die mit solch einer Zertifizierung einhergehen? (III) Gibt es signifikante Unterschiede in der Abbaugeschwindigkeit respektive dem Abbauverhalten der verschiedenen BAW und sind diese mit der Herkunft ihrer Rohstoffe zu erklären?

Methodik

Zur Überprüfung der drei Materialien wurde ein drei Monate langer empirischer Versuch mit einem Thermokomposter durchgeführt, der mit einer Doppelwandisolierung ausgestattet war. Dieser Thermokomposter wurde durch 92 kg Kompost mit Mikroorganismen beimpft und es wurden in unregelmässigen Perioden neue Rohmaterialien hinzugefügt, um eine hohe Mikroorganismenaktivität und Diversität zu gewährleisten. Die in Gitternetze verpackten Proben wurden in der Mitte des Kompostes inkubiert einschliesslich einer Sonde, welche die Temperatur im Kompostinnern mass. Der pH-Wert wurde mittels eines pH-Messstabs und das C/N-Verhältnis anhand der hinzugefügten Substrate ermittelt. Die Proben wurden sieben Mal während des Versuches mittels einer Mettler-Ultramikropräzisionswaage gewogen. Zur Beantwortung der obengenannten Fragestellung musste man ebenfalls die Zusammensetzung der Polymere analysieren, welche durch eine Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie erfolgte.

Ergebnisse

Mater-Bi und ecovio wurden während der 12 Wochen gänzlich desintegriert, während PLA keinen Massenverlust zeigte. Trotzdem verzeichnete PLA eine signifikante Veränderung der Materialeigenschaften. So wurde PLA von einem stabilen, schlagzähen Material zu einem spröden Kunststoff, welcher bei leichtester Druckspannung zerbrach. Dazu konnte durch die NMR-Spektroskopie ermittelt werden, dass Mater-Bi und ecovio beide aus einer Polybutylenadipat-co-terephthalat (PBAT)-Trägermatrix bestehen. Ecovio besteht auch zu 18 % aus PLA, während Mater-Bi nur einen PLA-Gehalt von 1 % aufzeigte. Die PLA-Probe besteht zu 97 % aus reinem PLA und beinhaltet folglich nur einen geringen Gehalt an Additiven. Dazu konnte eine Zunahme der Endgruppen beim kompostierten PLA festgestellt werden.

Diskussion

Anhand dieser Ergebnisse kann beantwortet werden, ob die Herkunft der Polymere einen Einfluss auf die Abbaubarkeit hat. Sowohl Mater-Bi als auch ecovio haben petrochemische und biologische Bestandteile und wurden vollständig desintegriert, das reine PLA hingegen war biobasiert und konnte nicht abgebaut werden. Daraus sind grosse Unterschiede in der Abbaugeschwindigkeit erkennbar. Die Veränderung der Materialeigenschaften bei PLA ist das Resultat eines Molekulargewichtsverlustes, welcher durch eine Zunahme an Endgruppen nachgewiesen werden konnte. Die abiotischen Faktoren befanden sich während des Versuches immer im optimalen Bereich für die Mikroorganismen.

Schlussfolgerungen

Diese Arbeit konnte somit beweisen, dass es erhebliche Unterschiede in der Abbaucharakteristik und der Abbaugeschwindigkeit der drei verschiedenen BAW gibt und dass diese nicht mit der Herkunft der Rohstoffe, sondern mit der Struktur der Polymere zu erklären sind. Somit sind ecovio und Mater-Bi gänzlich kompostierbar und halten die Bedingungen ein, welche mit dieser Bezeichnung einhergehen, während PLA keine Anzeichen einer biologischen Desintegration zeigte. Weitere Untersuchungen sind folglich unabdingbar, um negative Konsequenzen zu vermeiden und eine sinnvolle Lösung für das Plastikproblem zu finden.

 

 

Würdigung durch den Experten

Prof. Dr. Michael Sander

Feliciano Graf hat in seiner Maturaarbeit “Biologisch abbaubare Werkstoffe – Biologische Desintegration und Abbaucharakteristik” eine detaillierte Analyse des Bioabbaus von Kunststoffen im Kompost durchgeführt. Die Arbeit besticht in Form, Inhalt und Umfang, sowohl im einführenden theoretischen als auch im experimentellen Teil. Komplexe Sachverhalte sind grundlegend und dennoch verständlich präsentiert. Die gewählte Methodik ist gut nachvollziehbar dargelegt und erlaubte es Herrn Graf, seine Forschungsfragen klar und schlüssig zu beantworten. Die Arbeit ist als beispielhaft zu würdigen.

Prädikat:

sehr gut

Sonderpreis «Forschung auf dem Jungfraujoch» gestiftet vom Paul Scherrer Institut
Sonderpreis der Universität Freiburg (Departement für Chemie)

 

Kantonsschule Zürcher Oberland, Wetzikon
Lehrer: Peter Waser