Wie Lebensmittel- und agroindustrielle Abfälle in sicherere Verpackungen, Schuhe und Textilien upgecycelt werden
Jedes Jahr werden organische Reststoffe aus dem Lebensmittel-und Industriesektor verbrannt, auf Deponien entsorgt oder dem Downcycling zugeführt. Die Umwandlung von Kohlenstoff in nützliche Materialien scheint solange auf der Hand zu liegen, bis man sich an der Herstellung von Produkten versucht, die in ihrem Escheinungsbild, ihrer Haptik und ihrer Funktion den gewohnten und vertrauten Produkten gleichen. Das EU-finanzierte Projekt Waste2BioComp(öffnet in neuem Fenster) entwickelte biobasierte Komponenten für drei alltägliche Wertschöpfungsketten: Verpackungen, Schuhe und Textilien. Im Mittelpunkt der Arbeit standen Polyhydroxyalkanoate (PHA), eine Familie von Biopolymeren, die von Mikroorganismen produziert werden, und die Herstellungsschritte, die für die Umwandlung in Demonstratoren erforderlich sind.
Organische Abfälle auf hochwertige PHA-Bausteine untersuchen
Die Auswahl des richtigen Abfallstroms und der richtigen Rohstoffe entscheidet sowohl über die Materialqualität als auch über die Skalierungsmöglichkeiten eines Prozesses. Projektkoordinatorin Helena Vilaça erklärt: „Der wichtigste Faktor, der darüber entscheidet, ob ein organischer Abfallstrom für die Herstellung hochwertiger Materialien geeignet ist, ist seine chemische Zusammensetzung.“ Im Anschluss an dieses erste Screening bewertete das Konsortium abgesehen von der Verfügbarkeit und geografischen Nähe die Ausbeute, die Produktreinheit und die Einfachheit bei der Entfernung von Verunreinigungen. Mehrere kohlenhydratreiche Ströme wurden auf eine biogene PHA-Produktion durch Cyanobakterien getestet, darunter Glycerin, Melasse, Brotmischungen, Stärke, Teigmasse und Tabak. Die verschiedenen Bakterienstämme reagierten auf jedes Substrat unterschiedlich, was wiederum in unterschiedlichen PHA-Ausbeuten und -Zusammensetzungen resultierte. Parallel dazu wurden chemische Wege unter Verwendung (potenziell) biobasierter Moleküle erforscht, um die PHA-Chemie und die daraus hervorgehenden Materialeigenschaften an die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Materialverarbeitungstechnologie anzupassen. Gregor Grun, Professor am Fachbereich für angewandte Wissenschaften der Hochschule Kaiserslautern, erklärt dazu: „Die daraus resultierenden PHA-Materialien können spezifisch angepasst werden und weisen Eigenschaften auf, die von harten Feststoffen bis zu TPE-ähnlichen Materialien reichen. Sie lassen sich mit verschiedenen Verfahren (Blasformen, Foliengießen, Spritzgießen, Faserspinnen, 3D-Druck) mühelos verarbeiten.
Von PHA-Polymeren zu Verpackungen, Einlegesohlen und Textilbeschichtungen
Produkte aus Abfallstoffen müssen nicht zwangsläufig von schlechterer Qualität sein. Waste2BioComp hat die Materialien einem Vergleichstest unterzogen, um sicherzustellen, dass die Leistung den konventionellen Gegenstücken entspricht oder diese übertrifft, und toxikologische Bewertungen durchgeführt, um die Sicherheit zu bestätigen. Wenn Abfallströme Mikroorganismen verwerten oder chemische Grundstoffe liefern, können die daraus resultierenden Materialien ihre Qualität bewahren, da die grundlegenden Bausteine je nach angewandtem Verfahren mit denen aus herkömmlichen Quellen identisch sein können. Im Zuge des Projekts wurden PHAs und biobasierte Pigmente auf Anwendungszwecke übertragen. Im Verpackungsbereich wurden PHA-Folien und -Verbundstoffe mit unterschiedlicher Flexibilität hergestellt, während im Bereich Schuhe Schaumstoffe für Schuhkomponenten, einschließlich PHA-Schaumstoffe für Einlegesohlen, produziert wurden. Der Bereich Textilien gestaltete sich schwieriger, was unter anderem darauf zurückzuführen ist, dass die Druck- und Faserverfahren in der Regel weniger Schwankungen bei den Materialeigenschaften und Prozesseinstellungen zulassen. „Von den untersuchten Sektoren –Textilien, Schuhe und Verpackungen – erwies sich die Textilindustrie als die größte Herausforderung für die Integration der PHAs“, erklärt Helena Vilaça. Die Herstellung von Prototypen für Schuhkomponenten und Verpackungsfolien, die einer Serienproduktion nahe ist, war machbar, während die Textilien einen niedrigeren Technologie-Reifegrad aufwiesen, der weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit erfordert. Mittels Tintenstrahldruckverfahren konnte die Kluft zwischen Materialien und Endprodukten überwunden werden. Im Rahmen des Projekts wurden biobasierte Pigmente und Tintenstrahltinten entwickelt und die Dispersionsstabilität sowie Druckkopfkompatibilität optimiert, da die Kontrolle der Partikelgröße von entscheidender Bedeutung ist. Zur Behebung der eingeschränkten Lichtechtheit, die häufig mit biobasierten Pigmenten in Zusammenhang steht, verwendete das Projekt Pigmente, die gleiche Molekularstrukturen wie herkömmliche Pigmente aufweisen, aber aus erneuerbaren Quellen stammen.
Hindernisse am Ende des Lebensdauer und was die Verbraucherschaft beachten kann
In der Praxis gib es nach wie vor Hindernisse für einen geschlossenen Stoffkreislauf. Waste2BioComp hob hierbei fünf Probleme hervor: erstens, stark genutzte Verbundstoffstrukturen, die schwer zu trennen sind; zweitens, begrenzte spezielle Sammelströme für neuartige Materialien; drittens, unzureichende Entsorgungshinweise für die Verbraucherschaft; viertens, Zusatzstoffe, welche die Reinheit der Rezyklate beeinträchtigen; und fünftens, eine große Vielfalt an biobasierten Polymeren, die spezifische Recyclingwege erfordern. Wenn die Waste2BioComp-Materialien auf den Markt kämen, würde der Nutzen für die Verbraucherschaft über eine geringere Verwendung fossiler Stoffe hinausgehen. Das Fazit von Helena Vilaça lautet: „Abgesehen von den Vorteilen für die Umwelt, würden sich den Verbraucherinnen und Verbrauchern bei einer Vermarktung der Waste2BioComp-Produkte mehrere praktische Nutzen auftun. Dazu zählen sicherere, weniger toxische Materialien, da Kunststoffe auf PHA-Basis, ob hart oder flexibel, keine schädlichen Weichmacher erfordern, sowie eine bessere Hautverträglichkeit, wie die Desensibilisierungsergebnisse für PHA-Einlegesohlen und gedruckte Textilien bestätigen.“
