Projekt zu recyclingfähigen Lebensmittelverpackungen Umweltfreundlichere To-Go-Becher dank Nanobeschichtung?

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Beim Verpacken von empfindlichen Produkten wie Lebensmitteln kommen meist Verbundmaterialien zum Einsatz. Die schützen das Produkt, sind aber kaum wirtschaftlich zu recyceln. Besser wären nanobeschichtete Verpackungen. Konzepte dafür sowie für die Qualitätskontrolle entwickeln Fraunhofer Institute in einem Projekt für höhere Recycling-Quoten.

Freiburg – Verpackungen für empfindliche Alltagsprodukte bestehen heute in der Regel aus Kunststoff-Verbundsystemen – einem Materialmix aus unterschiedlichen Polymeren. Paradebeispiel ist das bekannte Tetra Pak. Die Verpackungen sorgen dafür, dass Lebensmittel oder Pharmazeutika auf dem Weg von der Herstellung zum Konsumenten vor äußeren Einflüssen wie Sauerstoff-Diffusion geschützt werden. Polymer-Verbundmaterialien erfüllen diese Funktionen zwar, können jedoch nicht wirtschaftlich recycelt werden. EU-weit werden jährlich mehr als 300 Milliarden Verpackungen auf anderen Wegen entsorgt – im besten Fall in der Müllverbrennung „energetisch verwertet“, also verbrannt.

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Die besondere Biotüte – Verpackung ohne Kunststoff

Mit Blick auf die gewaltige Menge an Verpackungsmaterial haben die Gesetzgeber auf Bundes- und EU-Ebene die Anforderungen an die Recyclingfähigkeit von Verpackungen zuletzt deutlich verschärft. Im Forschungsprojekt Re-Use arbeiten vier Fraunhofer-Institute gemeinsam an neuen Verpackungskonzepten, die ohne Materialverbundsysteme funktionieren und damit eine deutliche höhere Recyclingquote erreichen.

Nanometer-dünne Schicht als Schutzbarriere

In vielen Fällen lässt sich die Barrierefunktion von Polymerschichten auch durch ultradünne Beschichtungen erzielen, z. B. aus Aluminium- oder Siliziumoxid. Die Projektpartner entwickeln Verfahren, mit denen es möglich werden soll, solche Schichten mit zuverlässiger Barrierewirkung in einer Dicke von nur zehn Nanometern aufzutragen. Die Menge des Fremdmaterials auf dem eigentlichen Verpackungsmaterial ist dabei so gering, dass ein sortenreines Recycling problemlos möglich ist.

Voraussetzung für die Herstellung solcher „Superbarrieren“ im großen Maßstab ist eine zuverlässige Qualitätskontrolle. Eines der Ziele des auf drei Jahre angelegten Forschungsprojekts ist daher ein inline-fähiges Messsystem, das eine Regelung des Beschichtungsprozesses und damit eine durchgehende Qualitätskontrolle ermöglicht. Das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) entwickelt eine Lösung, mit der sich Dicke und Elementzusammensetzung der Barriereschicht während der Herstellung vollständig prüfen und der Beschichtungsprozess regeln lassen. Dazu nutzen die Forscher die charakteristischen spektralen Eigenschaften der Beschichtungen im Infrarotbereich.

Infrarot-Strahlung eines Quantenkaskadenlasers „sieht“ unter streifendem Einfall die Barriereschicht, d. h. sowohl die spektrale Signatur der Schicht als auch des Substrats sind erkennbar. Aus diesen spektralen Merkmalen lassen sich Rückschlüsse über die Dicke und chemische Zusammensetzung der Schicht ziehen.

In einem weiteren vom Land Baden-Württemberg geförderten Projekt arbeitet das Forschungsteam gemeinsam mit der Firma Plasma Electronic an der Produktionstauglichkeit des infrarot-optischen Verfahrens. Hierzu wird ein Array von kompakten Einzelsensoren in einen industriellen Plasma-Beschichtungsprozess für Becher integriert, um eine 100-Prozent-Qualitätskontrolle zu ermöglichen.

Zum Projekt

Das Projekt Re-Use (Recyclingfähige Funktionsverpackungen für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie durch ultradünne Barriereschichten) wird im Prepare-Programm der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Beteiligte Projektpartner sind:

• Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV

• Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP

• Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

• Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENASt

Die Projektlaufzeit ist von 1. Mai 2022 bis 30. April 2025 angesetzt.

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