English China

Sensorik Polymere Stinker: Fehlgerüche von Altkunststoffen identifizieren

Autor / Redakteur: Guido Deußing* / Dr. Ilka Ottleben

Stinkender Kunststoffabfall hat schlechtere Recyclingchancen. Deshalb sind unangenehm riechende Kontaminationen zu minimieren. Analytik gepaart mit den Mitteln der Sensorik kann helfen, olfaktorische Störstoffe zu identifizieren sowie die Effizienz und Wirksamkeit von Reinigungsprozessen zu überprüfen.

Firmen zum Thema

Polymermaterialien, aus denen beispielsweise Verpackungen für Käse hergestellt werden, können den Geruch des verpackten Guts annehmen. Solche Geruchsbelastungen limitieren die Recyclingchance der Altkunststoffe.
Polymermaterialien, aus denen beispielsweise Verpackungen für Käse hergestellt werden, können den Geruch des verpackten Guts annehmen. Solche Geruchsbelastungen limitieren die Recyclingchance der Altkunststoffe.
(Bild: ©Algecireño - stock.adobe.com)

Was gut riecht, kommt gut an, ganz gleich, ob es sich um ein Essen, einen Pkw oder um den Typen von nebenan handelt. Stinker hingegen haben selten herausragende Erfolgschancen – dies gilt auch für Gebrauchtkunststoffe. Grund: Polymere wirken höchst adsorptiv auf flüchtige organische Verbindungen (VOCs). Zu den VOCs wiederum zählen ihrer Flüchtigkeit wegen auch Geruchsstoffe, also Verbindungen, die riechen sowie Fehlgerüche (off-odours), also die nicht gut riechen. Mit anderen Worten: Polymermaterialien, aus denen beispielsweise Verpackungen für Käse, Shampoo oder Weichspüler hergestellt werden, können den Geruch des verpackten Guts ganz oder partiell annehmen. Das jedoch hat Auswirkungen: Die resultierende olfaktorische Kontamination beeinträchtigt die weitere Verwendung des jeweiligen Kunststoffs.

Mit anderen Worten: Sortenreinheit sowie andere physikalische Kenngrößen sind nicht alleiniges Entscheidungskriterium für die Wiederverwertung gebrauchter Polymermaterialien, sondern auch die ungewollte olfaktorische Note des resultierenden Rezyklats. Sie spielt eine nicht zu unterschätzende Rolle für den Einsatz von Altkunststoffen bei der Herstellung neuer Ware.

Bildergalerie

Woher der Geruch rührt

Der Geruchseindruck eines Kunststoffs wird nicht allein durch den verpackten Inhalt beeinflusst, sondern auch durch andere Faktoren, etwa die Art der Entsorgung. Wenig bis gar nicht mit Fremdgerüchen belastet sind in aller Regel Kunststoffe, die während der Herstellung und Verarbeitung als Überschuss oder Verschnitt anfallen und die sich je nach Materialtyp und Sortenreinheit mehr oder minder direkt an der Prozesslinie recyceln und wieder in den Herstellungs- und Verarbeitungsprozess einspeisen lassen.

Als geruchlich problematisch hingegen erweisen sich Kunststoffe, die mit dem Hausmüll entsorgt wurden oder dem gewerblichen Endverbrauch entstammen. Bei diesen Polymermaterialien ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass sie biologischen oder chemischen Zersetzungsprozessen ausgesetzt waren, in deren Zuge auch geruchsaktive Stoffe emittieren und die Polymere kontaminieren können. Um olfaktorisch belastete Kunststoffe werkstofflich recyceln zu können, sind häufig Reinigungs- und Desodorierungsschritte erforderlich.

Aromaanalytik in vier Akten

Ob es darum geht, die Geruchsbelastung gebrauchter Kunststoffverpackungen zu bewerten, Reinigungsprozesse für Altkunststoffe oder Rezyklate zu optimieren oder Empfehlungen für eine effiziente und zielführende Mülltrennung auszusprechen: Grundlage bildet stets die richtige Analysenstrategie und eine geeignete Analysentechnik. Über beides sowie über ein umfangreiches Know-how in puncto Polymeranalytik verfügt das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising. Ergebnisse der Forschungsarbeit des IVV finden sich in unterschiedlichen angesehenen wissenschaftlichen Publikationen [1-4] ergebnishaft dokumentiert.

Wie aber ist vorzugehen bei der Geruchsanalyse bei Kunststoffen? Orientierung bieten die Bestimmung von Aromastoffen in Lebensmitteln, die sich auch auf andere Anwendungsbereiche übertragen lässt, erläutert Dr. Philipp Denk vom IVV. Der folgende, kurzgefasste Blick auf die verschiedenen Schritte im Labor macht den Sachverhalt deutlich.

Schritt 1: Sensorische Einstufung der Proben. Ein aus mehreren Personen bestehendes Sensorik-Panel führt in einem „Einstufungstests“ gemäß DIN ISO 8587:2010-08 eine sensorische Bewertung der Proben durch. Die Tester sind geschult, Gerüche zu erkennen und dezidiert sprachlich zu erfassen. „Auf diese Weise ist es möglich, einen Gesamtgeruchseindruck zunächst zu benennen, was für die weitere Arbeit wichtig ist“, schildert IVV-Forscher Denk. Diesem Schritt schließt sich die gaschromatographische Analyse der Proben an, gepaart mit einer weiteren sensorischen Bewertung mittels Olfaktometrie (O). Dabei ermöglicht ein spezieller Port am GC das Abschnüffeln mit der Nase, um die einzelnen enthaltenen Geruchsstoffe zu charakterisieren. Zuvor werden die Geruchsstoffe aus dem Polymer extrahiert (s. Schritt 2).

Schritt 2: Extraktion der VOC aus der Polymermatrix. Mithilfe eines geeigneten Lösungsmittels wie Dichlormethan werden die oft nur in Spuren in der Probe vorliegenden, geruchlich jedoch hochpotenten Komponenten aus der Polymer­matrix extrahiert und über eine Lösungsmittel unterstützte Destillationstechnik (Solvent Assisted Flavour Evaporation, SAFE) im Hochvakuum von den nichtflüchtigen Bestandteilen getrennt. Es komme auf eine schonende Vorgehensweise an, um zu vermeiden, dass „während der Aufarbeitung instabile geruchsaktive Verbindungen abgebaut oder neue gebildet werden, was das Gesamtbild der Analyse verfälschen würde“, berichtet Denk. Der resultierende Extrakt wird filtriert und aufkonzentriert; dem schließt sich eine Geruchsextraktverdünnungsanalyse (GEVA) an.

Schritt 3: Geruchsextraktverdünnungsanalyse. Aus der Aromaanalytik ist bekannt, dass oft nur ganz wenige Substanzen den charakteristischen Geruch determinieren, wenngleich auch viele verschiedene flüchtige Verbindungen in einer Probe vorliegen können. Um diese wenigen relevanten Komponenten herauszufinden, wird eine aufeinanderfolgende Verdünnungsreihe der Extrakte gaschromatographisch getrennt und mittels Olfaktometrie, sprich über einen „Sniff“-Port (bspw. ODP) am Ende der Trennung mit der menschlichen Nase durch einen Sensorikexperten bewertet. „Geruchsaktive flüchtige Komponenten lassen sich auf diese Weise bestimmen und über den Vergleich mit Referenzsubstanzen zuordnen“, sagt Denk.

Schritt 4: Identifizierung der Geruchsverursacher mittels 2D-GC-MS/O. Die endgültige Identifizierung der für den Geruch besonders relevanten Verbindungen erfolgt schließlich mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie und Olfaktometrie (GC-MS/O). Im Falle einer Überlagerung von Signalen bzw. Substanzen werden die fraglichen Chromatogrammabschnitte abgetrennt (Heart-cut) und zur eindeutigen Aufklärung und Identifizierung mittels zweidimensionaler Gaschromatographie-Massenspektrometrie in Verbindung mit der Olfaktometrie (GC-GC-MS/O) analysiert.

Sensorik und Analytik

„Bereits nach einem Training der olfaktorischen Kompetenz in Verbindung mit der geeigneten Technik und ein wenig Erfahrung, können Anwender damit anfangen, Verbindungen allein aufgrund ihres Geruchs zu identifizieren“, sagt Chemieingenieur Thomas Albinus, Applikationschemiker und GC-MS/O-Beauftragter von Gerstel. Der in Mülheim an der Ruhr ansässige Gerätehersteller ist einer der führenden Anbieter von hochleistungsfähigem Zubehör für die olfaktorische Detektion bzw. GC-MS/O-Analytik (Gerstel-Olfactory-Detection-Port, ODP). In Schulungen vermittelt das Unternehmen in Theorie und Praxis den erfolgreichen Einstieg sowohl in die Analysentechnik als auch in die Bestimmung und Identifizierung von Geruchsverursachern durch Abriechen mit der Nase. Allerdings erfordert es schon eine intensive Beschäftigung mit der Thematik, um etwa olfaktorisch kontaminierte Kunststoffe sicher qualitativ zu bewerten.

Die nachgewiesenen unterschiedlichen Substanzen, zum Beispiel in Kunststoffverpackungsabfällen, weisen eine Vielzahl differierender Gerüche auf. „Darunter sind schimmlig, käsig oder blumig riechende Moleküle“, zählt Denk auf. Einige der stark riechenden Komponenten seien zum ersten Mal in Kunststoff identifiziert worden, berichtet der Experte. Zudem habe sich gezeigt, dass neben Geruchsstoffen aus den früheren, sprich verpackten Inhalten wie Lebens- oder Reinigungsmitteln, auch andere Vorgänge zu einer störenden Geruchsbelastung des Materials führen können. Dazu zählen mikrobiologische Zersetzungs- und Alterungsprozesse, denen Kunststoffe ausgesetzt sind, sowie der Abbau von winzigen Produktionsrückständen, wie z.B. Lösungsmittelreste.

Allerdings fällt die Kontamination mit Fehlgerüchen geringer aus, wenn Gebrauchtkunststoffe über ihren Lebenszyklus hinweg sortenrein behandelt und wenig kontaminiert wurden. Das ist z.B. bei PET-Getränkeflaschen der Fall, die sich nahezu vollständig für eine bestimmte Zeit im Kreislauf führen und für vergleichbare Einsatzzwecke wiederverwerten lassen. Allein die Sammlung von Verpackungsmüll im „Gelben Sack“ beziehungsweise in der „Gelben Tonne“ helfe laut Denk bei der Rückgewinnung werkstofflich gut nutzbarer Polymermaterialien. Ganz frei von Störgerüchen seien die daraus resultierenden Rezyklate in aller Regel allerdings nicht. Ihr Wiedereinsatz erfordert eine Desodorierung. Mit den am IVV gewonnen Erkenntnissen sei es möglich, Reinigungsschritte zu bewerten sowie zielgerichtete Vermeidungsstrategien für Gerüche in recycelten Kunststoffen zu entwickeln und in der industriellen Praxis zu etablieren.

Literatur:

[1] Miriam Strangl, Tanja Fell, Martin Schlummer, Andreas Mäurer und Andrea Büttner, Characterization of odorous contaminants in post-consumer plastic packaging waste using multidimensional gas chromatographic separation coupled with olfactometric resolution, Journal of Separation Science 40 (2017) 1500-1507, DOI: 10.1002/jssc.201601077

[2] Miriam Strangl, Martin Schlummer, Andreas Mäurer und Andrea Büttner, Comparison of the odorant composition of post-consumer high-density polyethylene waste with corresponding recycled and virgin pellets by combined instrumental and sensory analysis, Journal of Cleaner Production 181 (2018) 599-607, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.01.137

[3] Miriam Strangl, Eva Ordner und Andrea Büttner, Evaluation of the effi-ciency of odor removal from recycled HDPE using a modified recycling process, Resources, Conservation & Recycling 146 (2019) 89-97, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2019.03.009

[4] Andreas Cabanes, Miriam Strangl, Eva Ordner, Andreas Fullana und Andrea Büttner, Odorant composition of post-consumer LDPE bags originating from different colection systems, Waste Management 104 (2020) 228-238, https://doi.org/10.1016/j.wasman.2020.01.021

[5] Messen mit allen Sinnen, Einführung in die olfaktorische Detektion, Workshop vom 22. Bis 24. September 2020, Details: http://www.gerstel.de/de/workshop-odp.htm

[6] Der Olfactory Detection Port (ODP), http://gerstel.de/de/olfactory-detection-port.htm

* * G. Deußing: Redaktionsbüro Guido Deußing, 41464 Neuss

(ID:46713091)