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EU-Projektes Bio-n-Top

Nachhaltige, biobasierte Verpackungskonzepte

Geschlossene Material- und Energiekreisläufe sind das Ziel der aktuellen Forschung.
Geschlossene Material- und Energiekreisläufe sind das Ziel der aktuellen Forschung.
(Bild: Alexacrib – Adobe Stock)

Verpackungsmüll und dessen Reduktion stehen stark in der öffentlichen Diskussion. Insbesondere der Verpackungsmüll aus Kunststoff bei Lebensmittelverpackungen wird stark kritisiert. Nur 15,6 Prozent des angefallenen Kunststoffsabfalles in Deutschland wird derzeit recycelt, der Rest landet entweder in Verbrennungsanlagen oder auf Deponien beziehungsweise im Meer. Umweltfreundliche Alternativen zu den herkömmlichen, aus Erdöl hergestellten Kunststoffverpackungen, gibt es zurzeit allerdings kaum. Das Problem vieler nachhaltigerer Verpackungsmaterialien liegt unter anderem in den unzureichenden Barriereeigenschaften, die für den Schutz des Produktes notwendig sind. Insbesondere die Barriere gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf sind für die Haltbarkeit von Lebensmitteln aber auch von sensiblen Kosmetika oder pharmazeutischen Produkten von großer Bedeutung. Gleichzeitig soll eine umweltfreundliche biobasierte Verpackungsalternative entweder im heimischen Biomüll oder in Kompostieranlagen abbaubar sein beziehungsweise stofflich verwertet werden können.

Länderübergreifende Zusammenarbeit

Lösungen für diese Problematik sollen im Rahmen des neuen EU-Verbundprojektes Bio-n-Top erarbeitet werden. Das vierjährige Forschungsprojekt wird von 21 Expertenteams aus Forschung und Industrie bearbeitet. Darunter sind Vertreter aus Fachverbänden, Forschungsinstituten, dem Bereich Maschinenbau sowie Lebensmittel- und Verpackungsunternehmen aus acht EU-Ländern.

Im Vordergrund des Vorhabens steht die Entwicklung von nachhaltigen Verpackungskonzepten, die zum einen sensible Produkte ausreichend schützen und zum anderen neue Verwertungs- und End-of-Life-Optionen ermöglichen. Diese neuen Verpackungskonzepte sollen im Pilot- sowie Industriemaßstab entwickelt und auf deren Realisierbarkeit geprüft werden.

In einem ersten Schritt des Projektes wurde der aktuelle Stand aus Wissenschaft und Industrie zu biobasierten Verpackungen in einem wissenschaftlichen Übersichtsaufsatz gebündelt, welcher bald bei einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift eingereicht wird. (Updates werden auf der Projekthomepage veröffentlicht: www.biontop.eu). Die Recherche ergab, dass vor allem Verpackungen basierend auf Polymilchsäure vielversprechend sind.

Polymilchsäure(PLA)-basierte Kunststoffe können synthetisch in großtechnischem Maßstab hergestellt werden und nehmen unter den Biokunststoffen bereits einen beträchtlichen Anteil von 10,3 Prozent ein (Marktzahlen zu 2018). Prognostiziert wird ein Zuwachs der Produktion von Polymilchsäure als Biokunststoff auf 16,2 Prozent in 2023 (European Bioplastics).

Ressourcenschonende, bioabbaubare, kreislauffähige Verpackungen sind das Ziel.
Ressourcenschonende, bioabbaubare, kreislauffähige Verpackungen sind das Ziel.
(Bild: Aa_amie – Adobe Stock)

PLA ist vielversprechend

Durch chemische oder physikalische Modifizierung von PLA konnten biobasierte Folien hergestellt werden, die in ihren optischen und mechanischen Eigenschaften vergleichbar sind mit herkömmlichen Polyesterfolien. Auch das Potenzial der technischen Verarbeitbarkeit von PLA wurde bereits ausführlich untersucht. Durch eine Erhöhung der Viskosität der PLA-Schmelze konnte deren Verarbeitung mittels Blasfolienextrusion wie mit herkömmlichen aus Erdöl hergestellten Kunststoffen durchgeführt werden. Die Recherche ergab, dass PLA der zurzeit mit am meisten untersuchte und für viele Anwendungen vielversprechendste biobasierte Packstoff ist.

Für Produkte, die eine geringe Haltbarkeitsdauer haben, wie Frischfleischverpackungen, können PLA-basierte Verpackungen bereits verwendet werden und somit als nachhaltige Alternative zu petrochemisch-basierten Kunststofffolien dienen. Allerdings ist bei Produkten mit einer mittleren bis längeren Haltbarkeit beziehungsweise bei sensiblen Produkten die Verpackung mit PLA nicht geeignet. Insbesondere die geringen Sauerstoff- und Wasserdampfbarriereeigenschaften von PLA-Folien sind ungenügend, um hochsensible Lebensmittel, Kosmetika oder pharmazeutische Produkte ausreichend zu schützen.

Um gute Sauerstoffbarriereeigenschaften zu erreichen, werden in der Verpackungsindustrie meist Ethylen-Vinyl-Alkohol-Copolymere (EVOH) eingesetzt. EVOH wird allerdings aus Erdöl hergestellt und ist nicht biologisch abbaubar. Zudem wird EVOH ausschließlich in Verbundfolien eingesetzt. Die Verbundpartner dieser Folien lassen sich aktuell nicht mit wirtschaftlichen Methoden sortenrein trennen und sind daher nicht recyclingfähig.

Beschichtungen notwendig

Das Ziel der Forschergruppe der Hochschule Albstadt-Sigmaringen ist die Entwicklung von Beschichtungen aus biobasierten Materialien wie Fettsäuren und Reststoffproteinen, die bei der Lebensmittelherstellung als Abfall-/Nebenprodukt anfallen. Diese biobasierten Rohstoffe sollen genutzt werden, um kosteneffiziente Beschichtungen für die Funktionalisierung von PLA-Folien zu entwickeln. Die reststoffproteinbasierten Beschichtungen und nanoskalige Oberflächenfunktionalisierung mit Fettsäuren sollen die Barriereeigenschaften insbesondere gegenüber Wasserdampf und Sauerstoff so verbessern, dass die beschichteten Milchsäurepolymerfolien eine echte Alternative zu fossilen Verpackungsmaterialen darstellen.

Durch Beschichtungen mit Molkenproteinisolat auf Kunststofffolien konnte bereits in mehreren Forschungsprojekten gezeigt werden, dass die Sauerstoffbarriereeigenschaften signifikant verbessert werden können. Ein Patent beschreibt das Herstellen von Molkenproteinbeschichtungen auf Kunststofffolien, wodurch die Thermoformbarkeit als auch die Sauerstoffbarriere stark verbessert werden konnten. Die Molkeproteinbeschichtungen zeigten Sauerstoffbarriereeigenschaften von 1,5 cm³/(m²*d*bar) und sind somit nur etwas höher im Vergleich zu EVOH (44 Prozent) mit 0,6 cm³/(m²*d*bar).

Molkenprotein könnte EVOH ersetzen

Die Literaturrecherche hat gezeigt, dass Molkenproteine für Beschichtungen von Kunststofffolien die Sauerstoffbarriere erhöhen und somit das Potenzial haben, um EVOH in Mehrschichtfolien zu ersetzen. Molkenproteine haben darüber hinaus den Vorteil, dass sie biobasiert und bioabbaubar sind. Weiterhin liegen Molkenproteine als Beschichtung in denaturierter Form vor, sodass sie gering bis nicht löslich in Wasser sind. Nachteile der Beschichtungen aus Protein sind die geringen Wasserdampfbarriereeigenschaften. Um diese Nachteile zu überwinden, werden im Rahmen des Projektes Fettsäuren als zusätzliche Beschichtung erforscht („fatty acid grafting“), die das Material hydrophober und hierdurch wasserabweisender machen. Des Weiteren kann die Restentleerbarkeit von Verpackungen durch diese Funktionalisierung verbessert werden. Diese neuen Beschichtungstechnologien werden durch eine von Dr. Corina Reichert geleitete Forschergruppe für Biopolymer Processing and Functionalization BPF am Sustainable Packaging Institute SPI der Hochschule Albstadt-Sigmaringen entwickelt.

Im Rahmen des Bio-n-Top-Projektes soll in weiteren Studien an der Hochschule Albstadt-Sigmaringen nun erforscht werden, wie sich molkenproteinbasierte Beschichtungen und Fettsäurebeschichtungen auf die Barriereeigenschaften von PLA-Folien auswirken (dazu mehr im nächsten Beitrag der Serie).

Ganzheitliche Betrachtung

Die Entwicklung neuer Materialien und Beschichtungstechnologien von Verpackungen ist das eine, die Verarbeitungsprozesse und die Verwertung dieser neuen Materialien das andere. Zur ganzheitlichen Betrachtung der Nachhaltigkeit von Verpackungsmaterialien soll auch die Recyclingfähigkeit getestet und optimiert werden. Die alternativen Verpackungsmaterialien sollen kompostierbar sein und für den Fall, dass die Verpackungen im Salz- oder Süßwasser landen, dort auch vollständig abgebaut werden können. Deshalb ist dieser Aspekt auch Gegenstand der Forschungsarbeiten des Projektes. Die Verwertungsmöglichkeiten der neuen Verpackungsmaterialien sollen untersucht werden, sodass auch diese in bestehenden Müllverwertungsanlagen verarbeitet werden können.

Die ganzheitliche Betrachtung von biobasierten Verpackungen im Bio-n-Top-Projekt wird einen deutlichen Beitrag dazu leisten, nachhaltigere Materialien aus der Forschung in die Anwendung zu bringen und somit eine sinnvolle und marktfähige Verpackungsalternative für die Life Science Industrie hervorbringen.

Über die Autoren
Autorenbild
Dr. Corina Reichert

Forschungsgruppen­leiterin, Fakultät Life Sciences, Hochschule Albstadt-Sigmaringen in Sigmaringen

Autorenbild
Prof. Dr. Markus Schmid

Institutsleiter, Sustain­able Packaging Institute SPI, Fakultät Life Sciences, Hochschule Albstadt-Sigmaringen in Sigmaringen

Über die Firma
Hochschule Albstadt-Sigmaringen
Sigmaringen
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