Nachhaltigkeit
CRISPR für die Bearbeitung von Polymeren könnte globale Recyclingbemühungen neu gestalten
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Entschlüsselung des Kunststoffrecyclings
Seit ihrer weit verbreiteten Einführung durch die Fertigungsindustrie in den 1960‑Jahren sind Kunststoffe zu einem allgegenwärtigen Material in unserem täglichen Leben geworden. Sie sind zudem die Ursache für sehr schwere Umweltverschmutzung, insbesondere Mikroplastik – die zerkleinerten, mikroskopischen Kunststofffragmente, die die gesamte Erde und ihre Ozeane verschmutzen.
Mikroplastik wurde nachgewiesen, um die Wirksamkeit von Antibiotika zu verringern, um in Föten, unseren Herzen und Gehirnen gefunden zu werden, von Meeresfauna gefressen zu werden, usw.
Es gibt viele Strategien, die erforscht werden, um mit der bereits bestehenden Mikroplastikverschmutzung umzugehen, zum Beispiel Einführung von Nachhaltigkeitskennzahlen, die Verwendung von ungiftigen wasserabweisenden Lösungsmitteln, oder die Wiederverwendung von Kunststoffen mit Lasern oder lichtgetriebener Photokatalyse.
Inzwischen werden Unternehmen wie ExxonMobil wegen der niedrigen Recyclingquote von aus Öl hergestelltem Kunststoff verklagt (XOM ).
Das Problem bei den meisten Lösungen für die Kunststoffverschmutzung ist, dass sie relativ kostspielig sind, was dazu führt, dass viele Länder nicht bereit oder in der Lage sind, Lösungen für dieses globale Problem umzusetzen. Eine bessere Lösung wäre, Kunststoffabfälle zu einer Ressource zur Herstellung wertvoller Materialien zu machen, wodurch ein starker wirtschaftlicher Anreiz entsteht, Kunststoffabfälle zu sammeln.
Daran arbeiten die Forscher des Oak Ridge National Laboratory. Sie entdeckten eine Methode, Kunststoffabfälle in leistungsfähigere Kunststoffe „upzucyceln“, und veröffentlichten ihre Ergebnisse im Journal of the American Chemical Society unter dem Titel Polyalkenamere als Zusatzstoffe für die Ring‑Opening‑Metathesis‑Polymerisation: Ein vielversprechendes Upcycling‑Paradigma”1.
Warum ist herkömmliches Recycling nicht ausreichend?
Kunststoff wird bereits recycelt, aber das Verfahren ist alles andere als perfekt. Die Forscher, die an dieser Veröffentlichung gearbeitet haben, beschreiben es treffend als „schmelzen und hoffen, dass es gut wird“.
Das ist problematisch, da jeder Recycling‑Zyklus von Kunststoff immer weniger wertvolle Polymere erzeugt, wobei das resultierende Produkt eine geringere Beständigkeit, Farbe, Haltbarkeit usw. aufweist. Das geschieht, weil ungerichtetes Schmelzen die Art und Weise verändert, wie die Kunststoffpolymerkette gebildet und miteinander verknüpft werden.
Mit der aktuellen Recycling‑Technologie können Kunststoffe nur eine begrenzte Anzahl von Malen wiederverwendet werden, enden jedoch ohnehin als Müll, bereits nach wenigen Recycling‑Zyklen anstatt nach einem einzigen Gebrauch.
Außerdem können einige Kunststoffarten mit diesem Verfahren überhaupt nicht recycelt werden und landen in der Regel entweder in der Verbrennung oder auf Deponien.
Tatsächlich werden nur 9 % der weltweiten Kunststoffproduktion recycelt.
Quelle: PureCycle Technologies
Upcycling statt Recycling
Das Konzept des „Upcyclings“ besagt, dass das Ergebnis des Recycling‑Prozesses tatsächlich dem Ausgangsmaterial überlegen ist.
Dies kann nur erreicht werden, indem die Polymerketten, aus denen der Kunststoff besteht, kontrolliert umgeordnet werden. Diese Art von präzise gezieltem „Editieren“ der Kunststoffstruktur hat die Forscher dazu veranlasst, ihre neue Methode mit CRISPR, einer Technologie, die zur willkürlichen Modifikation von DNA‑ und RNA‑Strängen verwendet wird zu vergleichen.
Sie arbeiteten mit Molekülen, die heute kaum oder gar nicht recycelt werden. Dazu gehörten weiches Polybutadien, ein gängiges Material in Gummireifen, und robustes Acrylnitril‑Butadien‑Styrol, das in Plastikspielzeug, Computertastaturen, Lüftungsrohren, Schutzhelmen, Fahrzeugverkleidungen und -formen sowie Küchengeräten verwendet wird.
„Wir gehen mit dieser Technologie einen bedeutenden Teil des Abfallstroms an. Das würde bereits durch die Erhaltung von Masse und Energie aus Materialien, die jetzt auf Deponien landen, einen ziemlich großen Einfluss haben.“
Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow
Der Prozess weist eine sehr hohe „Atomökonomie“ auf, das heißt, er gewinnt im Endprodukt fast den gesamten recycelten Kunststoff wieder zurück.
Wie es funktioniert
Um aus dem zu recycelnden Material starke Kunststoffpolymere zu erzeugen, entwickelten sie zunächst ein Additiv, das dem bestehenden Kunststoff zugesetzt wird.
Zur Herstellung des Additivs zerkleinerten sie Polybutadien und Acrylnitril‑Butadien‑Styrol und tauchten sie in Dichlormethan. Die chemische Reaktion funktionierte bei niedrigen Temperaturen (40 °C / 104 °F) und in weniger als zwei Stunden.
Die Reaktion benötigte zudem einen Katalysator, und es wurde Ruthenium eingesetzt. Dieser ist ein bekannter Katalysator in der Kunststoffherstellung und wird auch zur Umwandlung von Biomasse, wie Pflanzenölen, in Kraftstoffe und andere hochwertige organische Verbindungen verwendet.
Die Ruthenium‑Atome „tragen“ im Wesentlichen die kleineren Kunststoffbestandteile und führen sie zu den Polymeren, um diese zu verlängern.
Der „Metathese“-Prozess nutzt starke Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen, um die Wahrscheinlichkeit chemischer Reaktionen zu erhöhen.
Ein Teil der Methode, genannt Ring‑Opening‑Metathesis‑Polymerisation, öffnet kreisförmige Kohlenstoffmoleküle und wandelt sie in nützliche lange Polymere um. Ein weiterer Teil, genannt Cross‑Metathese, fügt Ketten von Polymer‑Untereinheiten einer Polymerkette in eine andere ein.
Quelle: Sigma Aldrich
Die Arbeit war eine kollaborative Aufgabe, bei der einige Forscher mit der Optimierung der Polymerisation beauftragt waren, andere die NMR‑ (Kernspin‑Resonanz‑)Spektroskopie zur Echtzeitanalyse der Reaktionen einsetzten und wieder andere die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Endmaterialien testeten.
Starke Ergebnisse
Die Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory zeigten, dass der Prozess, der weniger Energie verbraucht und weniger Emissionen erzeugt als herkömmliches Recycling, Abfallmaterialien effizient integriert, ohne die Polymerqualität zu beeinträchtigen.
Der daraus resultierende upcycelte Kunststoff zeigte eine starke thermische und mechanische Leistung, wodurch er dem Originalmaterial überlegen ist und weitaus besser als mit traditionellen Methoden recycelter Kunststoff.
Die nächsten Schritte beim Kunststoff‑Upcycling
Upcycling aller Kunststoffe
Diese Methode, die bereits für bestimmte Kunststoffe demonstriert wurde, könnte auf alle anderen Kunststoffe ausgeweitet werden. Umweltfreundlichere Lösungsmittel könnten ebenfalls eine Verbesserung darstellen.
„Die Vision ist, dass dieses Konzept auf jedes Polymer ausgeweitet werden könnte, das irgendeine Art von Rückgratformfunktion besitzt, mit der reagiert werden kann.
Wenn es skaliert und erweitert wird, um andere Additive zu verwenden, könnten breitere Klassen von Abfällen nach molekularen Bausteinen durchsucht werden, was die Umweltauswirkungen anderer schwer zu verarbeitender Kunststoffe drastisch reduziert.“
Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow
Die Details der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens müssen ebenfalls geklärt werden, aber es sollte in Ordnung sein, da es niedrige Temperaturen, kurze Reaktionszeiten und einen häufig verwendeten Katalysator nutzt.
Jenseits von Kunststoffen
Die angewandte Methode funktionierte mit Kunststoffen, könnte jedoch auch auf andere Chemikalien übertragen werden.
Die Forscher sehen darin besonders vielversprechendes Potenzial für eine Klasse von Polymermaterialien, die als Duroplaste bezeichnet werden. Dazu gehören Epoxidharze, vulkanisierter Gummi, Polyurethan und Silikon.
Duroplast‑Materialien können nach dem Aushärten nicht erneut geschmolzen oder umgeformt werden, was ihr Recycling zu einer Herausforderung macht.
Die hier entwickelte Upcycling‑Methode, die die vernetzte molekulare Struktur von Kunststoffen angreift, könnte auf dieselbe Struktur in Duroplast‑Materialien angewendet werden.
Da der Repolymerisationsprozess hochgradig anpassbar ist, könnte das endgültige upcycelte Produkt dem Original überlegen sein. Die upcycelten Materialien könnten beispielsweise weicher und dehnbarer als die ursprünglichen Polymere sein oder sich leichter zu dauerhaften Duroplast‑Produkten formen und aushärten lassen.
Fazit
Upcycling ist eine vielversprechende Option, um die Recyclingquote von Kunststoffen zu steigern, da es den bislang fehlenden wirtschaftlichen Anreiz bieten sollte, weltweit mehr als 10 % des Kunststoffs zu recyceln.
Die Reduzierung des Kunststoffverbrauchs, das Entfernen von Mikroplastik, die Entwicklung von Biokunststoffen (siehe „Top 5 Bioplastik‑Unternehmen“) und Upcycling anstelle von schlechtem Recycling werden voraussichtlich alle Teil der Lösung für die Kunststoffverschmutzung sein.
Insgesamt werden sie ein Schlüsselbestandteil bei der Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft sein, die wesentlich ressourcenschonender und deutlich weniger umweltverschmutzend ist.
Recyclingunternehmen
PureCycle Technologies
PCT Preisdiagramm
PureCycle ist ein Kunststoffrecyclingunternehmen, das sich auf Polypropylen (PP) konzentriert und Abfall‑PP in ultra‑reines recyceltes PP‑Harz umwandelt.
Sie haben ein proprietäres Verfahren entwickelt, um das Abfall‑PP von allen Zusatzmaterialien in Fertigprodukten, wie Polyethylen, Feststoffen, Pigmenten, Verunreinigungen usw., zu „reinigen“.
Quelle: PureCycle Technologies
Dieses Extraktionsverfahren unterscheidet sich vom üblichen mechanischen Filtrationssystem, das selbst bei hochwertigem Ausgangsmaterial PP von zu geringer Qualität für die meisten industriellen Anwendungen erzeugt.
Chemisches Recycling ist eine weitere Option, ist jedoch bei weitem nicht umweltfreundlich und nicht kosteneffizient.
Quelle: PureCycle Technologies
Das Endprodukt von PureCycle wird von der FDA für verschiedene übliche PP‑Anwendungen akzeptiert, darunter Lebensmittelaufbewahrung, heiße oder pasteurisierte Behälter sowie Tiefkühlkost. Zukünftige Produkte sollen Fasern, Folienverpackungen, Spritzguss für Verpackungen und Automobilkunststoffe umfassen.
Zusätzlich zum Recycling von Kunststoffabfällen ist der Prozess deutlich energieeffizienter, mit einem um 79 % geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu „virgin“ PP und einem um 35 % niedrigeren Treibhausgas‑Emissions‑Fußabdruck.
Das Unternehmen hat seine Pellet‑Produktionsanlage in Ironton gebaut, die erste Produktion begann im Juni 2023, um sein Recyclingverfahren einzusetzen.
Es baut zudem weitere Anlagen in Nordamerika und Europa und plant später in Japan und Südkorea in Zusammenarbeit mit SK geo centric, mit dem Ziel, bis 2027 eine jährliche Recyclingkapazität von 630 Millionen Pfund zu erreichen.
Quelle: PureCycle Technologies
Die Pellet‑Produktion der Ironton‑Anlage erreichte im 3. Quartal 2024 3,5 Millionen Pfund, das Dreifache des Vorquartals, und zeigte zudem eine Verbesserung der Produktqualität.
Insgesamt ist PureCycle ein gutes Unternehmen, auf das man setzen kann, um die Kunststoffrecycling‑Technologie zu verbessern, und verfügt über die Erfahrung, neue Technologien schrittweise einzuführen und von veralteten Recycling‑Technologien abzurücken.
Studienreferenz:
1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024) Polyalkenamere als Zusatzstoffe für die Ring‑Opening‑Metathesis‑Polymerisation: Ein vielversprechendes Upcycling‑Paradigma. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (48), 33084-33092 DOI: 10.1021/jacs.4c10588
