Biologisch abbaubare Produkte

Biologische Abbaubarkeit – was heißt das eigentlich?

Viele Mikroorganismen wandeln organische Stoffe in körpereigene Stoffe um und lassen dabei Kohlendioxid, Wasser sowie Salze übrig. Das ist biologischer Abbau. Pflanzen bekommen so die Nährstoffe, die sie für den Aufbau organischer Stoffe brauchen. Biologisch abbaubare Produkte sind künstlich erzeugte Stoffe, die sich in diesen Kreislauf einfügen können. Hier erfahren Sie, wie der Abbauprozess verläuft, welche in der Oberflächentechnik verwendeten Produkte diese Eigenschaft besitzen, wie sie nachgewiesen wird und welche Normen und Zertifizierungen in der Industrie relevant sind.

Was bedeutet biologisch abbaubar? – Definition

Ein Stoff gilt als biologisch abbaubar, wenn Mikroorganismen ihn unter natürlichen Bedingungen in einfache Verbindungen wie Kohlendioxid, Wasser und Mineralsalze zersetzen können. Dieser Prozess nutzt die Stoffwechselaktivität von Bakterien, Pilzen und anderen Kleinstlebewesen, die organische Substanzen als Nahrungsquelle verwerten. Die Abbaubarkeit ist keine Ja-oder-Nein-Eigenschaft, sondern wird über standardisierte Tests quantifiziert: Ein Stoff muss innerhalb einer definierten Zeitspanne zu einem bestimmten Prozentsatz zersetzt werden, um als abbaubar zu gelten.

Für die Industrie ist diese Eigenschaft ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl von Betriebsstoffen. Leicht zersetzbare Produkte verringern das Risiko von Umweltschäden bei unbeabsichtigten Freisetzungen und erleichtern die Abwasserbehandlung. In der Oberflächentechnik spielen sie eine zunehmend wichtige Rolle, da Unternehmen sowohl gesetzliche Anforderungen erfüllen als auch ihre Nachhaltigkeitsziele erreichen wollen.

– Grundbegriffe

Organische und anorganische Stoffe

Biologisch abbaubare Produkte verhalten sich in der Natur wie abgestorbene Lebewesen. Das Leben auf der Erde beruht auf den chemischen Verbindungen des Kohlenstoffs. Die Chemie unterscheidet anorganische und organische Verbindungen.

Autotrophe und heterotrophe Ernährung

Um das Leben kümmert sich die Biologie. Sie unterscheidet autotrophe und heterotrophe Lebewesen. Autotroph sind diejenigen (Pflanzen, Algen, einige Bakterien), die sich von anorganischen Stoffen ernähren und Ihre Energie aus dem Sonnenlicht beziehen. Heterotrophe Lebewesen (Tiere, Pilze, viele Bakterien) ernähren sich von organischen Stoffen. Produkte, die als Nahrungsmittel für derartige Organismen taugen, sind auf diesem Weg zersetzbar.

Aerobe und anaerobe Lebensweise

Nutzen die heterotrophen Organismen Sauerstoff, um aus der Nahrung Energie zu gewinnen, handelt es sich um eine aerobe Lebensweise. Mikroorganismen, die zu dieser Gruppe gehören, produzieren während des Wachsens und bei der Vermehrung vor allem Kohlendioxid, Wasser und Salze. Die natürlichen Vorgänge, die auf dieser Grundlage ablaufen, sind die Verwesung von tierischen, die Verrottung von pflanzlichen und der mikrobielle Abbau von künstlichen Reststoffen.

Die andere Gruppe von Individuen lebt anaerob. Da hier die Sauerstoffzufuhr von außen fehlt, ist in den Abbauprodukten auch nur so viel davon enthalten, wie in der Nahrung vorhanden war. Anaerobe Mikroorganismen erzeugen deshalb hauptsächlich Methan, Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Der zugrundeliegende natürliche Prozess ist die Fäulnis von pflanzlichen und tierischen Reststoffen. Dieser Vorgang wird in Biogasanlagen technisch genutzt.

Biologisch abbaubar vs. kompostierbar – der Unterschied

Die Begriffe biologisch abbaubar und kompostierbar werden häufig synonym verwendet, bezeichnen jedoch unterschiedliche Eigenschaften. Ersteres bedeutet lediglich, dass ein Stoff von Mikroorganismen zersetzt werden kann – ohne Angabe einer Zeitspanne oder der erforderlichen Bedingungen. Theoretisch ist nahezu jede organische Verbindung irgendwann zersetzbar, auch wenn der Prozess Jahrzehnte dauern kann.

Kompostierbar ist ein Stoff hingegen nur, wenn er unter den Bedingungen einer industriellen oder häuslichen Kompostierung innerhalb eines definierten Zeitraums vollständig abgebaut wird. Die europäische Norm EN 13432 legt fest, dass kompostierbare Verpackungen in industriellen Kompostieranlagen innerhalb von zwölf Wochen zu mindestens 90 Prozent desintegrieren und nach sechs Monaten zu mindestens 90 Prozent mineralisiert sein müssen. Außerdem dürfen keine schädlichen Rückstände im Kompost verbleiben.

Für die Oberflächentechnik ist diese Unterscheidung relevant: Abbaubare Schmierstoffe oder Reiniger müssen nicht zwingend kompostierbar sein. Entscheidend ist vielmehr, dass sie in Kläranlagen oder bei unbeabsichtigtem Eintrag in Gewässer zersetzt werden können. Die Anforderungen an umweltverträgliche Industrieprodukte orientieren sich daher an anderen Testverfahren als die an kompostierbare Verpackungen.

Normen und Testverfahren für biologische Abbaubarkeit

Die Abbaubarkeit von Industrieprodukten wird nach international anerkannten Testverfahren bestimmt. Diese Normen unterscheiden zwischen leichter und inhärenter Abbaubarkeit und liefern vergleichbare, reproduzierbare Ergebnisse.

OECD-Testverfahren für leichte Abbaubarkeit

Die OECD hat eine Reihe von Testmethoden entwickelt, die als Goldstandard für den Nachweis der Zersetzbarkeit gelten. Die Tests der Reihe OECD 301 prüfen die leichte Abbaubarkeit unter aeroben Bedingungen. Erreicht ein Stoff in diesen Tests innerhalb von 28 Tagen einen Abbaugrad von mindestens 60 Prozent (gemessen am CO₂-Ausstoß oder Sauerstoffverbrauch), gilt er als leicht abbaubar. Die wichtigsten Varianten sind OECD 301 A (DOC Die-Away), OECD 301 B (CO₂-Entwicklung), OECD 301 D (Geschlossener Flaschentest) und OECD 301 F (Manometrischer Respirationstest).

Tests für inhärente Abbaubarkeit

Stoffe, die den strengen Anforderungen der OECD 301-Reihe nicht genügen, können nach OECD 302 auf inhärente Abbaubarkeit geprüft werden. Diese Tests verwenden höhere Konzentrationen an Mikroorganismen und längere Testzeiten. Ein Stoff gilt als inhärent abbaubar, wenn er zu mindestens 70 Prozent zersetzt wird. Die inhärente Abbaubarkeit zeigt, dass ein Stoff grundsätzlich dem mikrobiellen Abbau zugänglich ist, auch wenn dieser unter Umweltbedingungen langsamer verläuft.

Spezielle Testverfahren für Schmierstoffe

Für biologisch abbaubare Schmierstoffe hat sich der CEC L-33-A-93-Test etabliert. Dieser vom Coordinating European Council entwickelte Test simuliert die Bedingungen in natürlichen Gewässern und ist speziell auf die Eigenschaften von Ölen und Fetten abgestimmt. Ein Schmierstoff gilt nach diesem Verfahren als abbaubar, wenn innerhalb von 21 Tagen mindestens 80 Prozent zersetzt werden. Der CEC-Test ist besonders relevant für Verlustschmierstoffe wie Sägekettenöle, Schalöle oder Hydraulikflüssigkeiten in Land- und Forstwirtschaft.

DIN- und ISO-Normen

Die deutsche Normung hat die internationalen Testverfahren in DIN-Normen überführt. DIN EN ISO 14593 beschreibt den CO₂-Headspace-Test, der die Abbaubarkeit über die Kohlendioxidentwicklung in geschlossenen Gefäßen misst. DIN EN ISO 9439 regelt den Zahn-Wellens-Test für die inhärente Abbaubarkeit. Diese Normen sind für Unternehmen relevant, die ihre umweltverträglichen Produkte nach europäischen Standards zertifizieren lassen möchten.

Biologisch abbaubare Produkte in der Oberflächentechnik

Die Oberflächentechnik verwendet auf vielen Gebieten organische Verbindungen. Die wichtigsten Medien sind:

• Schmiermittel
• Kühlschmierstoffe
• Reinigungsmittel und Spülmedien
• Lacke und Farben

Umweltverträgliche Schmierstoffe

Bei der Wahl der Schmierstoffe spielen Umweltaspekte eine wachsende Rolle. Biologisch abbaubare Schmierstoffe basieren auf unterschiedlichen Grundölen, die sich in ihrer Zersetzbarkeit und Leistungsfähigkeit unterscheiden. Native Pflanzenöle wie Raps- oder Sonnenblumenöl sind von Natur aus leicht abbaubar und erreichen im CEC-Test Abbauraten von über 90 Prozent. Ihre Anwendung ist jedoch durch begrenzte Temperaturstabilität und Oxidationsbeständigkeit eingeschränkt.

Synthetische Ester kombinieren hohe Abbaubarkeit mit verbesserten technischen Eigenschaften. Sie entstehen durch die Reaktion von Alkoholen mit Fettsäuren und lassen sich gezielt auf bestimmte Anwendungen abstimmen. In der Metallbearbeitung, bei Hydrauliksystemen und als Getriebeöle haben sich Esteröle als leistungsfähige und zugleich umweltverträgliche Alternative etabliert. Die Zersetzbarkeit synthetischer Ester liegt typischerweise zwischen 80 und 95 Prozent nach CEC L-33-A-93.

Abbaubare Kühlschmierstoffe

Bei Kühlschmierstoffen für die Zerspanung steht die Entwicklung umweltverträglicher Formulierungen vor besonderen Herausforderungen. Wassermischbare Kühlschmierstoffe müssen einerseits abbaubar sein, andererseits während des Betriebs eine ausreichende Biostabilität aufweisen. Ein Kühlschmierstoff, der zu schnell von Mikroorganismen besiedelt wird, verliert seine Leistungsfähigkeit und kann gesundheitsschädliche Keime entwickeln.

Moderne umweltverträgliche Kühlschmierstoffe lösen diesen Widerspruch durch ausgeklügelte Formulierungen. Sie enthalten biostabile Komponenten, die während des Einsatzes vor mikrobiellem Befall schützen, sich nach der Entsorgung der Kühlschmierstoffe in der Kläranlage jedoch rasch abbauen lassen. Die Entwicklung solcher Stoffe gehört zur Strategie der nachhaltigen Chemie von Kluthe.

Abbaubare Reiniger und Tenside

Umweltfreundliche Reinigungschemikalien sind heute Standard in der industriellen Teilereinigung. Die EU-Detergenzienverordnung schreibt vor, dass Tenside in Reinigungsmitteln vollständig abbaubar sein müssen. Der Nachweis erfolgt über Testverfahren, die sowohl den Primärabbau als auch die vollständige Mineralisierung prüfen. Für den Primärabbau gilt ein Grenzwert von 80 Prozent, für den vollständigen aeroben Abbau von 60 Prozent innerhalb von 28 Tagen.

Kluthe bietet in dieser Rubrik zum Beispiel unter dem Oberbegriff “Aquapurgeprodukte” Spülmedien für wasserbasierende Lacksysteme an. Diese Produkte sind vorrangig auf Tensiden aufgebaut und erfüllen die Anforderungen der Detergenzienverordnung. Die wasserbasierten Formulierungen ersetzen zunehmend lösemittelhaltige Produkte und tragen so zur Reduzierung von VOC-Emissionen bei.

Lacke und Beschichtungen

Lacke und Farben sollen Oberflächen schützen und die Lebensdauer der darunterliegenden Bauteile verlängern. Selbstverständlich müssen diese Stoffe dem Angriff durch Mikroorganismen standhalten. Im Interesse der nachhaltigen Abfallwirtschaft sind sie möglichst vollständig aus dem Abwasser zu entfernen, bevor dieses einem Klärwerk zugeführt wird. Wasserbasierte Lacksysteme enthalten zersetzbare Komponenten wie Tenside und Cosolventien, die in der Kläranlage abgebaut werden können.

Wassergefährdungsklassen und Abbaubarkeit

In Deutschland werden wassergefährdende Stoffe nach der Verordnung über Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen (AwSV) in Wassergefährdungsklassen (WGK) eingeteilt. Die Einstufung berücksichtigt neben der Toxizität auch die Abbaubarkeit eines Stoffes. Leicht zersetzbare Stoffe werden tendenziell günstiger eingestuft als persistente Verbindungen.

Die drei Wassergefährdungsklassen sind WGK 1 (schwach wassergefährdend), WGK 2 (deutlich wassergefährdend) und WGK 3 (stark wassergefährdend). Umweltverträgliche Schmierstoffe und Kühlschmierstoffe erreichen häufig die Einstufung WGK 1, was geringere Anforderungen an Lagerung und Handhabung bedeutet. Für Betriebe in Wasserschutzgebieten oder mit erhöhten Umweltanforderungen kann die Umstellung auf abbaubare Produkte daher auch wirtschaftliche Vorteile bieten.

Kennzeichnungen und Zertifizierungen

Verschiedene Umweltzeichen und Zertifizierungen helfen Anwendern, umweltverträgliche Produkte zu identifizieren und deren Eigenschaften zu vergleichen. Die wichtigsten Kennzeichnungen für industrielle Anwendungen sind:

EU-Ecolabel

Das EU-Ecolabel ist das offizielle Umweltzeichen der Europäischen Union. Für Schmierstoffe definiert die Entscheidung 2018/1702 der Kommission strenge Anforderungen an Abbaubarkeit, Bioakkumulation und aquatische Toxizität. Schmierstoffe mit EU-Ecolabel müssen zu mindestens 50 Prozent aus abbaubaren Komponenten bestehen, wobei besonders kritische Anwendungen wie Verlustschmierstoffe noch strengere Grenzwerte erfüllen müssen.

Blauer Engel

Der Blaue Engel ist das älteste Umweltzeichen der Welt und genießt in Deutschland hohes Vertrauen. Für umweltverträgliche Schmierstoffe und Schalöle existieren eigene Vergabekriterien, die hohe Abbaubarkeit, geringe Gewässertoxizität und den Verzicht auf bestimmte Problemstoffe fordern. Der Blaue Engel berücksichtigt den gesamten Produktlebenszyklus und stellt damit ein umfassendes Nachhaltigkeitssiegel dar.

USDA BioPreferred

Das amerikanische BioPreferred-Programm des US-Landwirtschaftsministeriums zertifiziert Produkte mit hohem Anteil an biobasierten Inhaltsstoffen. Für international tätige Unternehmen kann diese Zertifizierung den Marktzugang in Nordamerika erleichtern. Das Programm unterscheidet sich von europäischen Zeichen durch den Fokus auf nachwachsende Rohstoffe statt auf Zersetzbarkeit.

Branchenspezifische Zertifizierungen

Neben den allgemeinen Umweltzeichen existieren branchenspezifische Zertifizierungen. Das European Ecolabel for Lubricants, die Nordic Swan-Zertifizierung und das österreichische Umweltzeichen setzen jeweils eigene Schwerpunkte. Für Anwender in der Oberflächentechnik ist es wichtig, die für ihre Branche und Region relevanten Zertifizierungen zu kennen und bei der Produktauswahl zu berücksichtigen.

Mikrobieller Abbau im Klärwerk

Abbaubare Produkte aus der Oberflächentechnik dürfen möglichst nicht in natürliche Gewässer gelangen. Größere Mengen würden beim aeroben Abbau einen akuten Sauerstoffmangel bewirken. Fehlt der Sauerstoff sterben die Bewohner des Gewässers und anaerobe Mikroorganismen übernehmen. Das bedeutet die organischen Stoffe beginnen zu faulen, was sich durch den Geruch der klimaschädlichen Gase Schwefelwasserstoff und Ammoniak bemerkbar macht. Der Gewässerschutz ist Bestandteil der Nachhaltigkeit und erfordert, die Abwässer in Klärwerken zu reinigen.

Im Klärwerk arbeiten Mikroorganismen intensiv am Abbau der Inhaltstoffe des Abwassers. Den größten Teil der Arbeit erledigen aerobe Organismen, die Belebtschlämme oder Bakterienrasen bilden. Belebtschlämme befinden sich meistens in Becken, in denen sie zusammen mit dem Abwasser durch Druckluft umgewälzt oder über Pumpen verrieselt werden. Ein Bakterienrasen ist eine Schicht Biomasse, durch die das Abwasser hindurchsickert. Die Zufuhr des Wassers erfolgt über sogenannte Tropfkörper, die den Rasen gleichmäßig mit dem Abwasser versorgen. Die Prozessführung verschafft den Kleinstlebewesen den für den Abbau erforderlichen Sauerstoff. Den nutzen sie – wie Menschen und Tiere bei der Atmung – für die Energiegewinnung. Dadurch wird dem Abwasser der größte Anteil des Kohlenstoffs entzogen.

Einige Klärwerke betreiben damit Faultürme, in denen er durch anaerobe Mikroorganismen zu Biogas umgesetzt wird. In anderen Fällen wird der Klärschlamm getrocknet und verbrannt. Manchmal kann er auch als Dünger genutzt werden.

Ermittlung der Abbaubarkeit von Chemikalien

Primärabbau

Bevor Mikroorganismen die organischen Stoffe als Nahrung nutzen können, müssen sie diese zunächst in Bruchstücke aufspalten. Sie produzieren Enzyme, die größere Moleküle zersetzen. Diese Phase ist der Primärabbau, der in Laboren gemessen werden kann. Dabei wird eine Probe des zu untersuchenden Stoffes unter genormten Bedingungen mit Mikroorganismen vermischt. Nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne wird festgestellt, wie viel Ausgangsstoff in der Probe noch nachweisbar ist. Der Stoff gilt als abbaubar, wenn ein bestimmter Grenzwert erreicht ist. Bei Tensiden in Spülmedien aus der Oberflächentechnik beträgt dieser Grenzwert 80 %.

Endabbau

Entscheidend für die Bewertung von Produkten ist jedoch der vollständige aerobe Abbau, bei dem nur noch Biomasse und die anorganischen Stoffe übrig bleiben. Für diese Untersuchung stehen unterschiedliche Testmethoden zur Verfügung, bei denen eine Probe mit Mikroorganismen vermischt und eine festgelegte Zeitspanne unter konstanten Umgebungsbedingungen aufbewahrt wird. Die Kleinstlebewesen stammen – je nach Verfahren – aus dem Belebtschlamm oder dem Ablauf eines örtlichen Klärwerkes. Die Bewertung der vollständigen Zersetzbarkeit des Ausgangsstoffes erfolgt über die Messung der Menge von erzeugtem Kohlendioxid, der Menge von verbrauchtem Sauerstoff oder den Vergleich des Biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) bei Versuchsende mit dem Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) bei Versuchsanfang.

Das Kohlendioxidaufkommen und der Sauerstoffverbrauch ermöglichen die Berechnung der Menge des aus der Probe verbrauchten Kohlenstoffs. Der chemische Sauerstoffbedarf gibt an, wie viel Sauerstoff bei der chemischen Umsetzung aller oxidierbaren Stoffe in einer Probe verbraucht wird. Der Biologische Sauerstoffbedarf ist die Menge Sauerstoff, die Mikroorganismen für die Zersetzung einer Probe benötigen. Beide Werte werden nach genormten Methoden bestimmt.

Abbaubare Kunststoffe

Die Chemietechnik hat in letzter Zeit abbaubare Kunststoffe hervorgebracht. Sie dienen hauptsächlich als Verpackungsmaterial. Ob diese Produkte zu mehr Nachhaltigkeit beitragen ist jedoch umstritten, weil sie sich in der Natur verhältnismäßig langsam zersetzen und der Aufwand für die Herstellung eines “Wegwerfproduktes” zu hoch ist. Lediglich in der Landwirtschaft lassen sich derartige Materialien als Abdeckung von bestimmten Kulturen vorteilhaft einsetzen. Sie können, nachdem sie ihre Aufgabe erfüllt haben, auf dem Feld verbleiben und untergepflügt werden.

Für die Oberflächentechnik spielen abbaubare Kunststoffe eine untergeordnete Rolle. Relevanter sind hier die umweltverträglichen Betriebsstoffe wie Schmiermittel, Kühlschmierstoffe und Reiniger, die im direkten Kontakt mit Werkstücken und Maschinen stehen. Die Auswahl solcher Produkte ermöglicht es Unternehmen, ihre Umweltbilanz zu verbessern und gleichzeitig die technischen Anforderungen ihrer Prozesse zu erfüllen. Gerne besprechen wir als verantwortungsvoller Innovationstreiber in Sachen grüner Chemie mit Ihnen die Vorzüge unserer Produkte rund um die Oberflächenbehandlung und deren Beitrag zur Kreislaufwirtschaft.