Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 04/2018, 02.04.2018

Neue Ansätze gegen den Verpackungsmüll

Die Herstellung von Kunststoffverpackungen basiert auf Mineralölprodukten, auch das Recycling ist noch nicht zufriedenstellend gelöst. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg hat nun ein Beschichtungsmaterial mit 98-prozentiger Bioabbaubarkeit entwickelt, das sich zur Anwendung im Bereich der Lebensmittelverpackungen eignet.

Autor: Dr. Sabine Amberg-Schwab, Fraunhofer-Institut für Silicatforschung, Würzburg, Deutschand

Frische Lebensmittel oder sogenanntes Convenience Food erreichen die Verbraucher heute zum grossen Teil in verpackter Form. Hygiene, lange Haltbarkeit und ständige Verfügbarkeit dieser verpackten Produkte machen einen Teil unserer Lebensqualität aus. Diese Bequemlichkeit jedoch trägt erheblich zur Belastung unserer Umwelt bei, denn die Konservierung und Verpackung dieser Lebensmittel wird häufig durch Kunststoffverpackungen realisiert. Deren Herstellung basiert auf Mineralölprodukten und das Recycling ist bisher nicht zufriedenstellend gelöst.

Besonders sichtbar wird die durch den Verpackungsmüll verursachte Umweltverschmutzung in den Weltmeeren, und selbst im Grundwasser ist sie nachweisbar. Schon jetzt gelangen nach UN-Angaben jährlich mehr als acht Millionen Tonnen Plastikmüll in den Ozeanen und gefährden die Tier- und Pflanzenwelt sowie letztlich auch die Gesundheit von Menschen. So stellt sich die drängende Frage: Wie kann in diesem Zusammenhang der jetzige Lebensstil beibehalten oder sogar verbessert und dennoch nachhaltiger gelebt werden?

Eigenschaften verbessern

Einen Beitrag dazu können biologisch abbaubare Lebensmittelverpackungen leisten. Kompostierbare Verpackungen beispielsweise aus Celluloseregeneraten sowie Polymilchsäure- und Stärke-Blends gibt es bereits seit mehr als 30 Jahren. Allerdings gewährleisten diese Materialien in der Regel nicht die benötigte Mindesthaltbarkeit der Lebensmittel, da sie nur unzureichende Barriereeigenschaften gegenüber Sauerstoff, Wasserdampf und Aromastoffen bieten.

Mit einer bioabbaubaren Barrierebeschichtung könnten diese umweltverträglichen Verpackungsmaterialen in ihren Eigenschaften soweit verbessert werden, dass sie sich für Kunststoffverpackungen im Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikbereich einsetzen lassen. Mit derartigen Funktionsschichten wäre eine breite Marktdurchdringung komplett bioabbaubarer Verpackungsmaterialien möglich.

Neue Beschichtungen

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg hat nun ein Beschichtungsmaterial mit 98-prozentiger Bioabbaubarkeit entwickelt, das sich zur Anwendung im Bereich der Lebensmittelverpackungen eignet, sogenannte Bio-Ormocere. In die Bio-Ormocer-Lacke können zusätzlich zur Barrierewirkung gegenüber Gasen und Dämpfen weitere funktionelle Eigenschaften integriert werden. Derzeit werden im Rahmen von laufenden Forschungsprojekten mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft die Materialeigenschaften weiter verbessert, insbesonders im Hinblick auf die gesteuerte Bioabbaubarkeit. Ausserdem werden in enger Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategien IWKS Abfallstoffe aus der Lebensmittelproduktion hinsichtlich ihres Einsatzes als Rohstoffquellen für die Herstellung der nächsten Generation von Bio-Ormoceren untersucht. Die industrielle Umsetzung mit interessierten Partnern ist je nach den spezifischen Anforderungen an die Haltbarkeit der Verpackung bzw. an die individuellen Auslöser für den biologischen Abbau der Verpackungen Gegenstand direkter Kooperationsprojekte.

Das Materialkonzept

Das Fraunhofer ISC hat langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von Barrierematerialien für unterschiedlichste Anwendungen – von der konventionellen Lebensmittelverpackung bis hin zur organischen Elektronik. Als Materialbasis diente bislang die Werkstoffklasse der Ormocere. Sie bietet gute Barriereeigenschaften gegenüber Gasen und Dämpfen, ist jedoch nicht biologisch abbaubar. Ormocere bezeichnen eine Werkstoffklasse der Hybridpolymere, die durch die jeweilige Kombination von anorganischen und organischen Bausteinen (siehe Grafik oben) variabel einstellbare Materialeigenschaften (Härte, chemische und thermische Stabilität etc.) erhalten. Sie besitzen von sich aus gute Barriereeigenschaften gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf und haften hervorragend auf unterschiedlichsten Kunststoffsubstraten. Für die Beschichtung kunststoffbasierter Lebensmittelverpackungen sind sie damit sehr gut geeignet. Oromocere sind zwar per se nicht biologisch abbaubar, jedoch lassen sich durch chemische Variationen der Zusammensetzung biodegradierbare Modifikationen als sogenannte Bio-Ormocere herstellen:

  • Funktionalisierung biodegradierbarer Präpolymere zur Synthese des neuen biodegradierbaren Beschichtungssystems
  • Nutzung ausschliesslich kostengünstiger Biopolymere (z.B. auch Reststoffe aus Papierherstellung (Hemicellulose) – Verwendung von Abfallprodukten (keine Konkurrenz zu Lebensmittelanbauflächen!) – und toxikologisch unbedenklicher Funktionalisierungsmethoden
  • Kovalente Anbindung der funktionalisierten Präkursoren an das hybride Beschichtungssystem und sukzessive Substitution der herkömmlichen Bestandteile
  • Überprüfung der Bioabbaubarkeit des neuen Systems durch einen Schnellkompostiertest sowie auch Normtest nach ISO 14885-1:2005 bzw. ASTM D 5338:1998
  • Analyse der Cytotoxizität der Rückstände
  • Untersuchung und Optimierung der funktionellen Eigenschaften, wie Barriere- und antimikrobielle Eigenschaften

Als bioabbaubare Ausgangsmaterialien wurden Cellulose, Chitosan und Polycaprolactontriol gewählt und teilweise mit funktionellen organischen oder anorganischen Gruppen modifiziert. Die funktionalisierten Naturstoffe wurden in nasschemisch verarbeitbare Lackvorstufen eingearbeitet, auf Folien beschichtet und mit UV-Licht/thermisch vernetzt. Festkörper-Magnet-resonanzspektroskopie-Untersuchungen konnten dabei je nach System die Anbindung der Naturstoffe an das organische oder das anorganische Netzwerk in den Bio-Ormoceren bestätigen. Transparenz und Homogenität der biopolymerhaltigen Schichten sind sehr gut.

Einige Schichtsysteme zeigten zum Teil schon innerhalb von wenigen Wochen im Versuchskompost einen Bioabbau. Zudem wurde die Bioabbaubarkeit nach DIN-Normen bestimmt und ergab einen 98 prozentigen Abbau der beschichteten Folien. Die Analysen der Cytotoxizität der Rückstände wiesen keine negativen Befunde auf. Der Grad des zeitlichen Abbaus kann durch die Wahl der biopolymeren Ausgangsverbindungen je nach Anforderung angepasst werden.

Durch Einbringung und chemisch stabile Anbindung von modifizierten Naturstoffen in das molekulare Oromocer-Netzwerk konnten Bio-Ormocere mit guter Biodegradierbarkeit bzw. Kompostierbarkeit realisiert werden. Als Beschichtung eingesetzt, zeigen sie gute Haftung und Transparenz und exzellente Barrierewerte gegen Feuchte und Gase. Der zeitliche Verlauf des Bioabbaus lässt sich einstellen. Damit wird es möglich, Kunststoffverpackungen in Zukunft umweltfreundlicher zu gestalten.

www.barrier.fraunhofer.com www.isc.fraunhofer.de



Barrierelacke für kompostierbare Verpackungen aus Bioplastik – Bio-Ormocere. (Bilder: K. Selsam, Fraunhofer ISC)


Konzept für die Entwicklung biodegradierbarer Ormocere. (Bild: Fraunhofer ISC)


Zur Person

Dr. Sabine Amberg-Schwab leitet den Bereich «Funktionelle Barriereschichten» am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg (Deutschland). Neben der Entwicklung und industriellen Implementierung von kompostierbaren Barrierelacken für biobasierte Verpackungskunststoffe arbeiten sie und ihr Team am Fraunhofer ISC auch an Hochbarrierematerialien für Anwendungen in der organischen Photovoltaik und der organischen Elektronik sowie an modularen Schutzlacksystemen für die Textil- und Lederzurichtung. Für ihre Bio-Ormocere wurde sie Anfang 2018 von der Ellen McArthur Foundation mit dem New Plastics Innovation Prize ausgezeichnet.

(Bild: K. Selsam, Fraunhofer ISC)