Die 3 Rs - Biokunststoffe

Motivation für dieses Projekt war die zwingende Notwendigkeit, Rohstoffe zu verwenden, um Alltagsprodukte aus recycelbaren Materialien herzustellen. Es verdeutlicht die schädlichen Auswirkungen unserer täglichen Handlungen auf die Umwelt, die Auswirkungen der Herstellung von Kunststoffen aus Erdöl und den Anteil der CO₂-Emissionen, der auf unseren weltweiten Verbrauch von Kunststoffen zurückzuführen ist.

Die Unterrichtseinheit betont die biologischen Auswirkungen von nicht abbaubaren Kunststoffen in unserer Umwelt und die negativen Auswirkungen von Mikroplastik. Durch die Aufgaben lernen die Schüler*innen, dass es nicht nur notwendig ist, auf biologisch abbaubare Kunststoffe umzusteigen, sondern auch Biomasse als Ausgangsmaterial zu verwenden, um die Freisetzung von fossilem CO₂ zu reduzieren.

Materialien

• 1 Tasse Milch
• 4 Teelöffel weißer Essig
• Eine Schüssel
• ein Sieb

Verfahren

1. Milch erhitzen, bis sie heiß ist, aber nicht kocht.
2. Die Milch vorsichtig in die Schüssel gießen.
3. Den Essig in die Milch geben und mit einem Löffel etwa eine Minute lang umrühren.
4. Die Milch durch das Sieb in die Spüle gießen.
5. Den Kunststoff in jede beliebige Form bringen und trocknen lassen. 

Fragen für die Schüler*innen

• Was ist die optimale Temperatur für die Milch? Was passiert, wenn die Milch kalt ist?
• Was passiert, wenn man einen Teelöffel Essig hinzufügt?
• Würde man mit fettarmer Milch oder Sojamilch die gleichen Ergebnisse erzielen?
• Würden auch andere Säuren wie Zitronen- oder Orangensaft funktionieren?

Was ist geschehen?

Milch enthält viele Moleküle eines Proteins namens Kasein. Jedes Kaseinmolekül ist ein Monomer und eine Kette von Kaseinmonomeren ist ein Polymer. Das Polymer kann geschöpft und geformt werden, weshalb aus Milch hergestellter Kunststoff als Kaseinplastik bezeichnet wird.

Materialien

• 500 ml Ethanol
• 500 ml destilliertes Wasser
• 56 g NaOH (Natriumhydroxid) Pellets
• 50 ml 12 M HCl(aq) (Salzsäure/Chlorwasserstoffsäure)
• 50 ml destilliertes Wasser
• 1000 ml Erlenmeyerkolben
• 125 ml Erlenmeyerkolben
• 500 ml-Messzylinder
• 50 ml-Messzylinder
• 2 Rührfische
• Heizplatte mit Rührer
• PLA-Reste oder ein PLA-Becher und eine Schere
• Eiswasserbad
• Tropfflaschen
• Plastikflasche
• Trichter

Verfahren

Sicherheit geht vor: Einen Laborkittel, eine Schutzbrille und Handschuhe anziehen!

Schritt 1: Vorbereitung der Lösungen

1000 ml einer Lösung von 1,4 M NaOH in 50 % Ethanol in Wasser vorbereiten

1. 56 g NaOH auf einer Waage abwiegen.
2. Die NaOH in einen 1000-ml-Erlenmeyerkolben überführen.
3. In den Kolben 500 ml destilliertes Wasser und ein Rührfisch geben.
4. Das NaOH im Wasser unter Rühren lösen.
5. 500 ml Ethanol in einem 500 ml Messzylinder abmessen.
6. Langsam 500 ml Ethanol in den Kolben und gründlich mischen.
7. Die Lösung mit „1,4 M NaOH in 50 % Ethanol in Wasserlösung" beschriften.

100 ml 6 M HCl vorbereiten

1. 50 ml destilliertes Wasser abmessen.
2. Das Wasser und einen Rührfisch in einen 125-ml-Erlenmeyerkolben geben.
3. 50 ml 12 M Salzsäure in einem 50 ml Messzylinder abmessen.
4. Die Salzsäure langsam in ein Becherglas mit Wasser geben.
5. Die 100 ml der Lösung (6 M HCl) in 10 Tropfflaschen geben.
6. Die Flaschen mit "6 M HCl" beschriften. Jede Flasche sollte 10 mL 6 M HCl enthalten.

Schritt 2: Hinzufügen der PLA

1. Den PLA-Becher mit einer Schere in kleine Stücke schneiden.
2. Die PLA-Stücke in ein Wägeschiffchen legen.
3. 5 g der PLA-Stücke auf einer Digitalwaage abwiegen.
4. 5 g PLA-Stücke mit Hilfe eines Trichters in den 250-ml-Erlenmeyerkolben geben. 
5. Mit dem Messzylinder 100 ml der vorbereiteten Lösung (1,4 M NaOH in 1:1 Ethanol/Wasser) abmessen. 
6. Die Lösung und 1 Magnetrührstab in den Kolben geben. 
7. Den Kolben auf die Heizplatte stellen.
8. Die Heizfunktion der Heizplatte einschalten und die Lösung auf 90˚C erhitzen (die Hitze reduzieren, wenn die Lösung heftig zu kochen beginnt).
9. Nachdem sich die PLA-Stücke vollständig aufgelöst haben und die Lösung blassgelb ist, die Heizplatte ausschalten. Die Temperatur sollte 80˚C - 90˚C betragen.
10. Den Kolben mit hitzebeständigen Handschuhen von der Heizplatte nehmen. 
11. Den Kolben in ein Eiswasserbad stellen und die Lösung abkühlen lassen, bis sie unter 60˚C liegt. Diese Mischung wird nun „hydrolysiertes PLA“ genannt.

Schritt 3: Fertigstellung der Reinigungslösung

1. Mit der Salzsäure einen pH-Bereich von 4-5 einstellen. Die Lösung enthält nun Milchsäure und Natriumchlorid (NaCl).
2. Die Milchsäurelösung mit einem Trichter in die Plastikflasche umfüllen. Sie ist nun gebrauchsfertig.

Nach der Herstellung der Reinigungslösung können die Schüler*innen deren Eigenschaften mit dem folgenden Verfahren testen.

Materialien

• 6 Agarplatten
• 6 Abstriche
• Destilliertes Wasser
• Inkubator oder warmer Raum

Verfahren

1. Die Schüler*innen entnehmen zunächst Proben von einer Oberfläche im Labor (z.B. Tisch oder Fenster) mit Tupfern und etwas destilliertem Wasser. Nicht vergessen, die Agarplatten zu beschriften.
2. Dann reinigen die Schüler*innen die Oberfläche mit ihrer PLA-Reinigungslösung. 
3. Im Anschluss nehmen sie Proben von der sauberen Oberfläche. 
4. Die Proben 24 Stunden lang in einem Inkubator oder in einem warmen Raum liegen lassen.
5. Zuletzt die Proben auswerten.