Auf dem Weg zum PET-Kreislauf?

Ein echtes Abfallprodukt der Materialwissenschaft: Mit einem neuen organischen Katalysator wollen US-Forscher den Kunststoff aus den verbreiteten Getränkeflaschen bei nur 75 Grad in seine beiden Ausgangsstoffe zurückführen.

PET ist allgegenwärtig: Selbst Bier gibt es mittlerweile in den Flaschen aus Poly-Ethylen-Terephtalat – für Genießer des Hopfengebräus allerdings ein Graus. Über eine Million Tonnen gebrauchte PET-Flaschen wurden 2007 in Europa eingesammelt. Damit sie den Berg aus Plastikabfall nicht noch weiter wachsen lassen, recycelt man sie, so gut es geht. Ein Verfahren, das Forscher von IBM und der Stanford University entwickelt haben, könnte dies mit Hilfe eines neuen Katalysators deutlich verbessern.

Üblicherweise wird der Stoff gewaschen, zermahlen und eingeschmolzen. Weil dabei die Kunststoffmoleküle beschädigt werden, müssen bis zu 70 Prozent fabrikneues PET beigemischt werden, um ein wiederverwertbares Granulat zu erhalten. Dessen Qualität reicht allerdings nur bei transparentem PET aus, um daraus wieder Getränkeflaschen zu machen – farbiges recyceltes PET eignet sich nur für Textilfasern und andere nicht allzu anspruchsvolle Anwendungen.

Um einen vollständigen Kreislauf zu erreichen, müsste das Material vollständig in seine Ausgangsstoffe Ethylenglykol und Terephtalsäure zurückgeführt werden. Möglich ist dies in mehrstufigen chemischen Verfahren, in denen Laugen und Säuren hinzugefügt oder Katalysatoren verwendet werden. In beiden Fällen wird mit hohen Drücken und Temperaturen gearbeitet.

Diese Prozesse benötigten aber sehr viel Energie und seien ziemlich teuer, sagt Dennis Sabourin, Direktor der US-amerikanischen National Association for PET Container Resources. Deshalb hätten sie sich bisher nirgendwo durchgesetzt. Genau hier kommt nun die Entdeckung der IBM- und Stanford-Wissenschaftler ins Spiel: Sie haben einen organischen Katalysator entwickelt, der gebrauchtes PET in kurzer Zeit bei einer Arbeitstemperatur von nur 75 Grad Celsius in fabrikneues PET zurückverwandeln soll. „Wenn das auch nur einigermaßen funktioniert, wäre das eine Riesensache“, urteilt Dennis Sabourin.

Hierfür wird der Katalysator in eine Ethylenglykol-Lösung gebracht, die relativ billig ist. In die gibt man nun geschredderte PET-Flaschen hinein. Mit Hilfe des Katalysators wird das Terephtalat aus den Schnipseln herausgezogen und reagiert dann mit dem Ethylenglykol aus der Lösung zu frischem PET. Das soll nach Angaben der Wissenschaftler eine Qualität haben, die eine direkte Weiterverarbeitung zu neuen Plastikflaschen erlaubt.

Der Katalysator selbst ist im wahrsten Sinne ein Abfallprodukt. Seit Jahren suchten die Forscher am IBM Almaden Research Center nach besseren Verfahren, um Polymere zu produzieren, mit denen Computerchips als isolierende Schutzschicht überzogen werden. Üblicherweise setzt man hierfür hochaktive metallische Katalysatoren ein. Die hinterlassen aber geringfügige Rückstände im Polymer, die die Leistungsfähigkeit eines Chips beeinträchtigen können. Zudem können sie später in die Umwelt entweichen, wenn der Chip entsorgt worden ist.

„Die Katalysatorreste zu entfernen, ist viel zu teuer“, sagt IBM-Chemiker James Hedrick. „Also haben wir nach einem ganz anderen Weg gesucht. “Ausgangspunkt waren organische Katalysatoren, deren Struktur der von biologischen Enzymen ähnelt – den natürlichen Katalysatoren bei Stoffwechselvorgängen in Zellen.Eine naheliegende Wahl war das nicht: „Organische Katalysatoren hatten bislang einen äußerst schlechten Ruf, weil sie aufgrund ihrer schwachen Aktivität nur in großen Mengen eingesetzt werden können“, erläutert Hedrick. „Wir haben nun eine Gruppe von organischen Molekülen gefunden, die dieselbe Aktivität wie metallische Katalysatoren hat.“

Einige von ihnen ließen sich für die Produktion der Chip-Isoliermaterialien verwenden, andere für die Verarbeitung von PET. Die Katalysatoren gehören zur Gruppe der Carbene. Das sind in der Regel instabile Moleküle, die ein Kohlenstoffatom mit freien, also reaktionsfähigen Elektronen enthalten.* Inspiration sei das Vitamin B1 gewesen, sagt Stanford-Chemiker Robert Waymouth. Das Forscherteam spekulierte, dass ein kleines, ähnlich aufgebautes Molekül eine katalytische Reaktion von so genannten Estern zu langen Polymeren bewirken könnte. Verschiedene Molekülstrukturen wurden dann in Computersimulationen durchgerechnet. Zumindest im Labor konnten die Forscher die erhoffte hohe Aktivität dann auch experimentell nachweisen. Nun testen sie das neue Verfahren in größerem Umfang mit Wissenschaftlern an der King Abdulaziz City for Science and Technology in Saudi-Arabien. „Wir müssen jetzt prüfen, ob das, was im Labor geklappt hat, auch in großen Reaktoren funktioniert“, sagt Waymouth.

„Im Prinzip handelt es sich auch hierbei um eine so genannte Glykolyse“, sagt Michael Gutknecht, Geschäftsführer der  Reinbeker Kunststoff-Recycling-Firma Gossler Envitec. Diese mit Hilfe von organische Katalysatoren bei niedrigen Temperaturen durchzuführen, sei aber neu. Gossler Envitec hat ein eigenes – nicht katalysator-basiertes – PET-Recycling-Verfahren entwickelt, das demnächst kommerziell eingesetzt werden soll.

„Ein großes Fragezeichen ist für mich aber, ob das amerikanische Verfahren die lebensmittelhygienischen Anforderungen an ein Flaschen-Recycling erfüllt“, gibt Gutknecht zu bedenken. Bei einer Arbeitstemperatur von 75 Grad würden Mikroorganismen aus gebrauchten Flaschen nicht mit letzter Sicherheit abgetötet - bei Hochtemperaturverfahren wie dem von Gossler hingegen schon. „Letztlich geht es beim Recycling nicht nur um die Herstellung reiner Stoffe, sondern auch um die Lebensmittelhygiene“, sagt Gutknecht.

Mehr dazu: Kiesewetter, Matthew et al., "Organocatalysis: Opportunities and Challenges for Polymer Synthesis", Macromolecules, 2010, 43 (5), S. 2093 – 2107 (Abstract)

*Korrektur: TR-Leser Patrick Knappe hat uns dankenswerterweise auf einen Fehler in der ersten Beschreibung des Carbens hingewiesen. (nbo)