Hvordan nedbrydes bioplast i naturen?

Verdens plastforbrug stiger! Det estimeres, at forbruget fordobles hvert tyvende – femogtyvende år. Europa anvendte 52 millioner tons plast i 2018 og det er sandsynligvis blevet til 100 millioner tons i 2040-50. I dag går 14 % af råolieproduktionen til fremstilling af plast og kemikalier i den petrokemiske industri. Det vurderes i øvrigt, at værdien af de 14 % i den petrokemiske industri svarer til værdien af de resterende 86 %, der fortrinsvis anvendes som brændstof. MEN i 2050 kan andelen af olieproduktionen, der anvendes i den petrokemiske industri, være betydeligt større - og langt størstedelen vil være til fremstilling af plast.

Der er en pris i form af stigende CO₂-udledninger at betale for dette forbrug af plast - også selv om vores genanvendelsesprocenter stiger. Se fx det nye studie fra DTU¹ beskrevet i Ingeniøren primo december.

Plast fremstillet fra naturlige ressourcer er en fascinerende mulighed for at substituere fossilt kulstof med CO₂, der allerede har været i cirkulation i atmosfæren. Uden at dykke ned i diskussionen om, hvorvidt vi overhovedet har de arealer, hvor vi kan dyrke afgrøder, der anvendes til materialer (”arealudnyttelsen”) - så er grænsen for andelen af biobasseret plast nok ikke engang 10 % af det globale forbrug. Mange biobaserede plasttyper er kun delvist biobaseret. Den kendte biobaseret PET indeholder fx 22 % kulstof fra naturlige kilder og 78 % fossilt kulstof. TÜV Austrias ”OK Biobased” mærkning opererer med fra en til fire stjerner. Vi vil gerne anbefale, at hvis man fx vil anprise sin emballage som biobaseret, så bør den kunne opnå tre eller fire stjerner, svarende til >60 % biobaseret kulstof.

Vi skal heller ikke glemme, at det estimeres, at helt op til 8 millioner tons plast spildes til miljøet hvert år – og meget ender i havet. I Danmark har vi et særdeles velforvaltet affaldssystem, men alligevel ved vi jo alle, at vi kan finde både brugt emballage og andre plastprodukter i dansk natur.Her er det bionedbrydeligt plast har sin berettigelse: Hvis plasten nu forsvandt lige så hurtigt som fx halm ude i naturen – så er det vel nemmere at leve med et spild? Så hvad er så egentlig chancen for at plasten faktisk forsvinder?

Plasten nedbrydes forskelligt i forskellige miljøer. Tabel 2 angiver nogle af de faktorer, der påvirker bionedbrydeligheden af materialer.
I nogenlunde overensstemmelse med mærkningen fra TÜV, figur 3, opdeles de forskellige miljøer, som nedbrydning foregår i, efter en naturlig opdeling på jord-, vand- og anlagte miljøer. De typiske forhold i disse miljøer er summeret nedenfor.

Havvand: 
Mikroorganismer i havvand omfatter især bakterier, arkæer og plankton. Kun meget få mug-, gær-, eller skimmelsvampe kan overleve i havvand; anaerobe mikroorganismer dominerer i de dybe lag med lavt iltindhold (bakterier og arkæer) mens både anaerobe og aerobe mikroorganismer (bakterier, plankton) eksisterer i overfladevand. Tilgængeligheden af lys spiller en vigtig rolle i aktiviteten af fotosyntetiske mikroorganismer (cyanobakterier, alger). Aerob nedbrydning af plast foregår fortrinsvis i de øvre vandlag under gunstige temperaturforhold.

Ferskvand:
Miljøforholdene er de samme som i havvand, men den afgørende forskel er det lave saltindhold på mindre end 1 ‰, hvilket giver svampene en chance. Temperaturer afhænger af sæsonen, nedbør, placering og vanddybde. I vandløb følger temperaturen årets variation i lufttemperatur, undtagen hvis denne dykker under nul. Vandløb fryser sjældent til og temperaturerne ligger mellem typisk fra 2 °C til 20 °C. Bakterier og svampe er hovedsageligt ansvarlige for den biologiske nedbrydning i ferskvand, hvor svampe overvejende findes nogle få millimeter under vandoverfladen.

Jord:
Parametrene for biologisk nedbrydning i jord varierer mere end i andre miljøer, da jordstrukturen varierer meget fra region til region. Groft sand med partikelstørrelser op til 2 mm giver meget plads til gasdiffusion, mens dette er stærkt forhindret i en kompakt lerjord med partikelstørrelser <2 µm. Afhængig af nedbør og klima varierer temperaturer og pH-værdier: sidstnævnte kan være mellem 2 og 11. Dette påvirker også det mikrobielle miljø og aktiviteten af mikroorganismer i jorden. Imidlertid antages det generelt, at nedbrydning i jord foregår aerobt. Forholdene i jorden adskiller sig efter region og sammensætning i en sådan grad, at selv grove vejledningsværdier næppe kan gives her.

Spildevandsslam: 
I Europa produceres årligt ca. 8 millioner tons tørstof af slam, som opnås i rensningsanlæg ved sedimentering. Spildevandsslam er et vigtigt organisk affald, fordi det indeholder vigtige næringsstoffer og kan bruges som gødning. Biogas produceres også af spildevandsslam. På grund af tilstedeværelsen af organisk kulstof, fosfor, nitrogen og andre næringsstoffer muliggør spildevandsslam optimale vækstbetingelser for mikroorganismer. Den mikrobielle aktivitet er derfor signifikant højere end i havvand eller ferskvand. Afhængig af sammensætningen af spildevandsslam kan nedbrydning være aerob eller anaerob. Temperaturer mellem 37 og 50 °C betragtes som fordelagtige her. Betingelser for aerob nedbrydning af polymerer i spildevandsslam følger EN ISO 14852:2018.

Deponi: 
Analogt med havvand og ferskvand finder biologisk nedbrydning sted på lossepladser under anaerobe forhold. Den anaerobe nedbrydning finder indledningsvist sted under tørre betingelser ved podning med mikroorganismer fra fordøjelsestanke. For at fremskynde nedbrydningen kan der tilsættes fugt og ilt under og efter anlæggets drift. PH-værdien ligger mellem 5,8 og 8,5. Gencirkulation af det forurenede perkolat opsamlet i bunden af lossepladsen og returnering til cirkulation for at forhindre, at det kommer ind i jorden og grundvand, kan forbedre en losseplads’ ydeevne markant.

Mærkningsordninger
Der findes en række mærkningsordninger, men vi refererer kun til den i Europa meget udbredte mærkning fra TÜV Austria – figur 3:

Figur 3: Mærkningsordning fra TÜV Austria

Hvis vi skal give en anbefaling for en plast, der er bionedbrydelig i den danske natur, så skal den både kunne mærkes med ”OK bio-degradable SOIL” og ”OK bio-degradable WATER”. Heri ligger ikke en anbefaling af sådanne typer plast, men en konstatering af, at hvis plast nedbrydes under laboratorieforhold som fastlagt i standarderne, så vil den også nedbrydes i den danske natur. Det vil gå langsommere - estimeret mellem 4-5 gange så langsomt grundet de lavere temperaturer. Andre forhold kan sænke nedbrydningshastigheden yderligere. I en bionedbrydning under laboratorieforhold vil en mikrobiel kultur, som ernærer sig af plasten, vokse frem, dvs. væksten af mikrober, der er optimeret til at nedbryde netop den testede plast, fremmes. I naturen kan lavere væksttemperaturer fremme mindre virksomme kulturer. Der er selvfølgelig også en effekt af den fysiske udformning af den plast, der spildes til naturen. Nedbrydningshastigheden er proportional med den overflade, der er tilgængelig for mikroorganismer. En 15 µm plastfolie kan fx nedbrydes helt op til 400 gange hurtigere end den samme plast masse samlet i en kugle!

En gennemgang af almindelige bionedbrydelige plasttyper bliver lang i forhold til denne artikel, men vi vil gerne fremhæve tre typer, der både anvendes til folier og i sprøjtestøb-ningsprocesser:

1. Polyvinylalkohol (PVAL)
En vandopløselig polymer, der i emballagesammenhæng måske er mest kendt som ilt-barriere, men kan også fås i sprøjtestøbe- og ekstruderingskvaliteter – figur 4.  PVAL fremstilles ud fra polyvinylacetat (PVAc) ved hydrolyse og graden af hydrolyse afgør om polymeren opløses i koldt eller varmt vand. I denne artikels sammenhæng er det en forudsætning, at polymeren opløses i koldt vand. Akronymerne PVA, PVAL og PVOH anvendes om poly(vinylalkohol), afhængigt af hvilken branche, der anvender polymeren. Vi anbefaler akronymet PVAL i overensstemmelse med DS/EN ISO 1043-1:2011. Bemærk også, at andre brancher anvender PVA for polyvinylacetat.

Figur 4: Opvaskemaskine tab. PVAL-skålen er fremstillet ved sprøjtestøbning

Bionedbrydeligheden af PVAL i opløsning i spildevandsslam med en optimal mikrobiel kultur er demonstreret at gå lige så hurtigt som for cellulose. I jord og specielt i lerjorde er det en noget anden sag, og PVAL ender nok som humus – svært nedbrydelige organiske forbindelser bundet til jorden. Der er ikke påvist økotoksicitet af PVA.

2. Polyhydroxyalkanoate (PHA) herunder Polyhydroxybutyrate (PHB) og poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV).
PHA fremstilles ved fermentering direkte i bakterier og PHB og PHBV er typiske repræsentanter. PHB er et af de få plastmaterialer, der er biologisk nedbrydeligt i havvand og i ferskvand. I jord nedbrydes PHA fuldstændigt, men med en hastighed, der afhænger stærkt af temperaturen. PHA og PHB kan både forarbejdes til folier og ved sprøjtestøbning.

3. Termoplastisk stivelse (TPS)
Termoplastisk stivelse er typisk blødgjort og kan forarbejdes ved både ekstrudering til folier og ved sprøjtestøbning. TPS er særdeles hurtigt nedbrydeligt i jord og nedbrydes også i hav- og ferskvand.
Der findes mange andre bionedbrydelige polymerer. Figur 5 opsummere en del af dem samt deres bionedbrydelighed. Vægtfylde er en væsentlig faktor for nedbrydningen i vandmiljø. Hvis plasten synker til bunds og sedimenterer, vil nedbrydningen normalt forsinkes eller stoppe helt op.

Figur 5: Bionedbrydelige polymerer

¹ Marie Kampmann Eriksen*, Kostyantyn Pivnenko, Giorgia Faraca, Alessio Boldrin, and Thomas Fruergaard Astrup, “Dynamic Material Flow Analysis of PET, PE, and PP Flows in Europe: Evaluation of the Potential for Circular Economy”, Environ. Sci. Technol. 2020, https://doi.org/10.1021/acs.est.0c03435

Online nyhedsmagasin

Vil du modtage nyheder og artikler om plast og emballage i din indbakke? Tilmeld dig vores online nyhedsmagasin her