Phosphate

Was sind Phosphate und welche Eigenschaften haben sie?

Wenn wir über Phosphate sprechen, meinen wir meistens Orthophosphate, also Derivate der Phosphorsäure (V) mit  der Formel H3PO4. Die drei Wasserstoffatome können  durch  Metallkationen oder Ammoniumionen substituiert werden (es entstehen Salze) oder durch organische Gruppen (dann entstehen Ester). Phosphorsäure kann dehydriert werden, wodurch entstehen:

• Pyrophosphorsäure H₄P₂O₇ (ihre Derivate sind Pyrophosphate),
• Metaphosphorsäuren (HPO₃)ₙ, die zyklische oder lineare polymere Säuren bilden (Metaphosphate oder Polymetaphosphate),
• Polyphosphorsäuren Hₙ+₂PₙO₃ₙ+₁ (Polyphosphate).

Es ist jedoch erwähnenswert, dass Phosphor auch andere Säuren bildet, wo es sich im Oxidationsgrad unterscheidet – Phosphorsäure (III) H3PO3 (Phosphonsäure) und Phosphorsäure (I) H3PO2 (Phosphinsäure). Auch sie finden in der Industrie Anwendung, jedoch in einem viel geringerem Umfang als Orthophosphate.

Aufgrund ihrer vielfältigen Struktur weisen Phosphate unterschiedliche physikochemische Eigenschaften auf, die in bestimmten Industriezweigen genutzt werden. Die am häufigsten verwendeten Phosphate sind jene mit chelatbildenden Eigenschaften (Bindung von Metallionen), puffernden Eigenschaften (Stabilisierung des pH-Werts), emulgierenden Fähigkeiten sowie hygroskopische und thermisch stabile Phosphate, die beständig gegenüber hohen Temperaturen sind

Anwendung von Phosphaten in der Lebensmittelindustrie

Phosphate sind sehr verbreitete Lebensmittelzusatzstoffe, die hauptsächlich  als Regulatoren von Säure, Stabilisatoren, Emulgatoren, Antioxidantien, Konservierungsmittel sowie als Fließ- und Antiverklumpungsmittel fungieren. Auf den Etiketten sind sie unter den Bezeichnungen E338 bis E452 zu finden. Die Reihe beginnt mit Phosphorsäure (E338), gefolgt von Natrium-, Kalium-, Calciumphosphaten, Diphosphaten, Triphosphaten und Polyphosphaten. Man findet sie z. B. als Hauptbestandteil von kohlensäurehaltigen Getränken.

Phosphate in der Landwirtschaft – ein Schlüsselbestandteil von Düngemitteln

In der Landwirtschaft kommen Phosphate in künstlichen Düngemitteln als Quelle von leicht verfügbarem Phosphor, einem der drei grundlegenden Nährstoffe (neben Stickstoff und Kalium). Phosphor ist für die Entwicklung  von Wurzeln sowie für die Bildung von Blüten und Früchten unerlässlich. Die Pflanze benötigt Phosphat für alle Stoffwechselprozesse – er ist ein Bestandteil von ATP, dem primären Energieträger.

Der Gehalt dieses Elements in Düngemitteln wird in P2O5 umgerechnet. Die wichtigsten Arten von Phosphordüngemitteln sind (P2O5-Gehalt in Klammern):

• Einfaches Superphosphat (16-20%),
• Angereichertes Superphosphat (40-50%),
• Ammonphosphat, DAP (46%) – liefert auch Stickstoff, daher ist es ein sehr effektives Düngemittel,
• Ammoniumphosphat, MAP (50-55%),
• Thermophosphate.

Rolle von Phosphaten in der industriellen Chemie

In der industriellen Chemie werden Phosphate ebenfalls umfassend eingesetzt. Sie werden Kunststoffen, Textilien und industriellen Materialien zugesetzt – unter anderem als Flammschutzmittel, Zusatzstoffe für Farben und Emaille, Weichmacher, thermische Stabilisatoren sowie als Mittel zur Wasseraufbereitung (Sequestriermittel und Ablagerungsinhibitoren

Auswirkungen von Phosphaten auf die Umwelt – Herausforderungen und Vorschriften

Die größte Herausforderung bei der Verwendung von Phosphaten ist ihre Umweltwirkung, insbesondere im Wasser. Der Missbrauch  dieser Verbindungen führt  zur Eutrophierung der Gewässer, d. h. zu einem übermäßigen Wachstum von Algen- und Cyanobakterien und in der Folge zu einem Sauerstoffmangel und Absterben von Wasserorganismen. Die Hauptquellen von Phosphaten sind die Landwirtschaft sowie kommunalevund industrielle Abwässer, weshalb die EU-Vorschriften ihre Verwendung ziemlich streng regeln.

Alternativen zu Phosphaten – sind sie denkbar ?

Natürlich gibt es Alternativen zu Phosphaten,  die in der Lebensmittelindustrie (z. B. Citrate, Hydrogencarbonate), in Waschmitteln (z. B. Zeolithe, Polycarboxylate) oder in der Landwirtschaft (organische Dünger, Recyclingdünger oder Struvit) verwendet werden. Obwohl sie biologisch abbaubar sind und die Kreislaufwirtschaft unterstützen, werden als ihre Hauptnachteile unter anderem ihre geringere Wirksamkeit, höhere Kosten oder begrenzte Verfügbarkeit genannt.

Normen und Vorschriften für die Verwendung von Phosphaten

Die Verwendung von Phosphaten als Lebensmittelzusatzstoffe wird durch das EU-Recht streng reguliert. Die wichtigsten Rechtsakte sind die Verordnung (EG) Nr. 1333/2008 sowie die Änderungsverordnungen der Kommission (EU) zu ihren Anhängen (Nr. 1129/2011, 2017/871 und 2018/74). Diese Vorschriften sollen sicherstellen,  dass der Phosphatkonsum der Verbraucher  70 mg/kg  Körpergewicht (ausgedrückt  als Phosphor) nicht übersteigt – gemäß der Empfehlung des Wissenschaftlichen Lebensmittelausschusses.

Die Phosphornormen in Wasch- und Reinigungsmitteln sind in der Verordnung (EU) Nr. 259/2012 des Europäischen Parlaments und des Rates festgelegt. Sie betragen 0,5 % Phosphor in Waschmitteln und 0,3 g Phosphor in der Standardportion von Geschirrspülmitteln. Was Kunstdünger betrifft, so gibt die Verordnung (EU) 2019/1009 des Europäischen Parlaments  und des Rates keinen maximalen Phosphorgehalt an, sondern behandelt hauptsächlich das Thema der Verunreinigungen (z. B. mit Cadmium) und fördert die Verwendung von organischen und recycelten Düngemitteln.