Verpackungskonzepte für die Zukunft Innovationstagung 2013 der Randenkommission

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1 Verpackungskonzepte für die Zukunft Innovationstagung 2013 der Randenkommission Innovative Verpackungsmaterialien Biopolymere aus Reststoffen der Lebensmittelproduktion für Verpackungsmaterialien in der Zukunft Markus Schmid Beringen, 21. November 2013

2 Inhalt Vorstellung Fraunhofer IVV Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien für Lebensmittel Lebensmittelverluste in Europa und deren Gründe Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Fallbeispiel: PLA vs. PET Trays für leicht verderbliche Lebensmittel Biopolymere aus Reststoffen der Lebensmittelproduktion EcoBioCAP maßgeschneiderte Packstoffe aus PHAs Reststoff Weizen- und Olivenfasern als Füllstoff Wheylayer2 Molkeprotein-basierte Barriereschichten Nebenprodukt Molke als Rohstoff für ein neues Barrierematerial BioBoard thermoplastische Proteine-basierte Werkstoffsysteme Reststoff Kartoffelpulpe und fruchtwasser aus der Kartoffelstärkeproduktion 2

3 Geschäftsfelder des Fraunhofer IVV Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV Institutsleiter Prof. Dr. Horst-Christian Langowski Giggenhauser Straße Freising 3

4 Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Lebensmittelverluste in der europäischen Lebensmittelversorgungskette (Anteile in Gew.%) Milch Fisch Fleisch Anbau Nachernte Verarbeitung und Verpackung Logistik und Handel Verbraucher Obst & Gemüse Ölsaaten Wurzeln & Knollen Getreide 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Kann eine geeignete Verpackung helfen, diese Verluste zu reduzieren? Quelle: Global Food Losses and Food Waste, Study conducted for the International Congress Safe Food at Interpack 2011 by the Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations, Rome,

5 Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Gründe für das Wegwerfen von Lebensmitteln in Deutschland 2011 Angaben der Befragten sie schmecken nicht 16,00 zu große Packungen 19,00 zu viel gekauft 28,00 Weil sie verdorben sind oder Haltbarkeitsdatum abgelaufen ist 84, in % Kann eine geeignete Verpackung helfen, diese Verluste zu reduzieren? Quelle: Forca Umfrage 2011, Der Wert von Lebensmitteln - Umfragen im Auftrag des BMELV 5

6 Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Bei der Quantifizierung des negativen Umwelteinflusses von Verpackungskonzepten ist folgendes zu berücksichtigten: der Einfluss von Lebensmittelverlusten bei Unterdimensionierung der Einfluss von überdimensionierten Verpackungen Negativer Umwelteinfluss Optimales Verpackungskonzept Minimaler Umwelteinfluss Unterdimensioniert Überdimensioniert Minimaler Materialeinsatz Gewicht der Verpackung steigt In Anlehnung an: ISO 18602: Packaging and the environment Optimization of the packaging system 6

7 Gaszusammenset zung in % Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Fallbeispiel: PET vs. PLA Trays Wiener Würstchen: Veränderung des O 2 - und CO 2 -Gehalts in MA-Packungen aus PET- und PLA-Schalen CO2 Messwert PET O2 Messwer PET CO2-Messwert PLA O2 Messwert PLA Fazit: Der kritische O 2 Gehalt (1%) wird in PLA Schalen wesentlich früher erreicht Für diese Anwendung ist die Barriere von PLA nicht ausreichend Zeit in Tagen 7 Quelle: Müller, K. (2010): Verpackungskonzepte für Fleisch- und Wurstwaren. Seminar: Wurstverpackungen Qualität, Sicherheit und Convenience, Fraunhofer IVV, Freising.

8 Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Ergebnisaufstellung der Lebenszyklusanalyse von Biokunststoffen, fossilen Kunststoffen und Mischkunststoffen Polymer Material Rang Polypropylen (PP) Fossiles Gas 1 Polyethylen mit hoher Dichte (HDPE) Erdöl 2 Polyethylen mit geringer Dichte (LDPE) Erdöl 3 Polyhydroxyalkanoat-Stover (PHA-S) Maisstängel 4 Universelles Polystyren (GPPS) Erdöl 5 Polymilchsäure-NatureWorks (PLA-NW) Zucker, Maisstärke 6 Polyvinylchlorid (PVC) Chlor, Öl 7 Universelles Polyhydroxyalkanoat (PHA-G) Maiskörner 8 Universelle Polymilchsäure (PLA-G) Zucker, Maisstärke 9 Polyethylenterephthalat (PET) Erdöl 10 Polycarbonat (PC) Erdöl 11 Bioployethylenterephthalat (B-PET) Erdöl, Pflanzen 12 Quelle: M. Tabone, J. Gregg, E. Beckman, A. Landis in Environmental Science & Technology (2010): Sustainability Metrics: Life Cycle Assessment and Green Design in Polymers 8

9 Nachhaltigkeit bei Verpackungsmaterialien Fazit Schutz und Sicherheit des Produktes stehen an erster Stelle * Im Lebensmittel sind deutlich mehr Ressourcen gebunden als in dessen Verpackung Unzureichender Produktschutz führt zu Produktverlusten Produktverluste verursachen daher größere CO 2 -Emmisionen als durch Vermeidung überflüssiger Verpackung eingespart werden kann Verpackung muss das Produkt ausreichend schützen Materialreduktion Durch optimierte Materialeigenschaften Materialsubstitution Wenn Produktschutz gewährleistet * 93% der Konsumgüterindustrie und sogar 100% des Handels stimmen dieser Aussage zu! 9 Quelle: Trend-Studie 2011: 'Verpackung und Produktschutz des EHI Retail Institute; GS1 Germany, 2011

10 Biopolymere aus Reststoffen Die folgende Projekte berücksichtigen Einsatz erneuerbare Rohstoffe (u.a. aus Reststoffen bzw. Nebenprodukten der LM-Produktion) Materialreduktion durch Materialoptimierung Neue End-of-Life Optionen Recyclierbarkeit, (Kompostierbarkeit) EcoBioCAP maßgeschneiderte Packstoffe aus PHAs Reststoff Weizen- und Olivenfasern als Füllstoff Wheylayer2 Molkeprotein-basierte Barriereschichten Nebenprodukt Molke als Rohstoff für ein neues Barrierematerial BioBoard thermoplastische Proteine-basierte Werkstoffsysteme Reststoff Kartoffelpulpe und fruchtwasser aus der Kartoffelstärkeproduktion Alle Projekte berücksichtigen Produktanforderungen und somit den Produktschutz! 10

11 Biopolymere aus Reststoffen Quelle: INRA EcoBioCAP 16 Projektpartner aus 8 EU Staaten Gefördert im 7. Forschungsrahmenprogramm der EU Laufzeit: Ziele und Lösungen: Entwicklung einer maßgeschneiderten, ökoeffizienten, bioabbaubaren flexiblen und halbsteifen Verpackung mit maßgeschneiderter Barriere - auch für atmende Lebensmittel! Neue Verbundmaterialien Biopolyester (PHB-V) Bestandteile aus Nebenprodukten: Fasern, Proteine, polyphenolische Compounds & Bioklebstoffe Gewonnen aus Nebenprodukten der Lebensmittelindustrie: Öl, Milch, Cerealien & Bier Neuartige Prozesstechnologien 11

12 Biopolymere aus Reststoffen EcoBioCAP Entwicklung von maßgeschneiderten Verpackungslösungen aus Biopolymeren (PHA) mit Additiven Alternative zu petrochemisch-basierten Kunststoffen Einsatz als Lebensmittelverpackung Anwendung: Erdbeeren, Pilze und Käse Ziel: respirierende Produkte benötigen hohe Durchlässigkeiten! Barriere gegenüber Sauerstoff und Wasserdampf verringern, Mechanik nicht signifikant verändern um Prozessfähigkeit nicht einzuschränken Additive (Füllstoffe) aus Abfall- bzw. Nebenprodukten der Lebensmittelindustrie, um Materialpreis von PHAs zu senken 12

13 Biopolymere aus Reststoffen Materialien Basismaterialien (BM) BM 1 (PHB) Kein Valeratanteil BM 2 (PHBV) Valeratanteil von 3% BM 3 (PHBV) Valeratanteil von 5-8% Strukturformel PHA Strukturformel PHB Strukturformel PHV Strukturformel PHBV 13

14 Biopolymere aus Reststoffen Füllstoffe Weizenfasern µm in einer Kugelmühle gemahlen Weizenfasern µm in einer Schlagmühle gemahlen Olivenfasern 500 µm in einer Zentrifugalmühle gemahlen 14

15 Zusammenfassung der Ergebnisse Einarbeitung von Fasern aus Reststoffen: Fettdichtigkeit wird nicht beeinflusst / bleibt fettundurchlässig In Abhängigkeit der Basismaterialien wird WVTR durch Fasergröße und -konzentration beeinflusst Deutliche Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der Fasergröße und -konzentration Limitierung der Faserkonzentration durch mechanische Eigenschaften Kompromiss zw. Fasergröße/ -konzentration und Einfluss auf Eigenschaftsprofil in Abhängigkeit der Anwendung Aktuelle und zukünftige Aktivitäten Thermoformen der neuen Werkstoffe (Prozessoptimierung) Rezepturoptimierung (Weichmachung) 15

16 Quelle: ttz Biopolymere aus Nebenprodukten Ziel: Industrielle Umsetzung der gewonnen Forschungsergebnisse aus dem Vorgänger EU-Projekt Wheylayer ( ) Entwicklung kostengünstigerer Formulierungen Optimierung der Verarbeitungseigenschaften (u.a. Thermoformbarkeit zu Trays und Blister) Verbesserung der Barriereeigenschaften Europäisches Projekt Dauer: Partner in 5 EU Staaten: Vertreter aus Milchindustrie, Forschungsinstituten, Verpackungsunternehmen 16

17 Neue Ansätze für nachhaltige Verpackungskonzepte Ergebnisse aus dem Vorgängerprojekt Wheylayer Barriereeigenschaften Werte genormt auf 100 µm Dicke (Q 100 ) Erfolge: OTR: Q 100 = 1-2 [cm³(stp)/(m² d bar)] WVTR: Q 100 = 2-3 [g/(m² d)] Die gesteckten Ziele des Projekts wurden erreicht Preisindikation: Molkenproteinformulierung: 5-7 /kg EVOH*: 6-9 /kg Preis-Leistungs-Verhältnis muss berücksichtigt werden Quelle: Markus Schmid, et al., Properties of Whey-Protein-Coated Films and Laminates as Novel Recyclable Food Packaging Materials with Excellent Barrier Properties, International Journal of Polymer Science, vol. 2012, Article ID , 7 pages, *Quelle: ENDRES, H.-J. & SIEBERT-RATHS, A Engineering biopolymers : markets, manufacturing, properties, and applications, Cincinnati, Hanser Publishers. 17

18 Biopolymere aus Nebenprodukten Forschungsaktivitäten Teilziele Einsatz von WPC anstatt WPI Günstiger bei gleichbleibender Performance Modifikation, Formulierung und Agglomeration Leichter zu verarbeiten Kombination mit anorganischen Schichten BIF Optimierung der Thermoformprozess Für Blister und Trays Numerische Simulation der Lackierprozesse Auslegung der Industrieanlage Design und Aufbau der industriellen Lackier-und Kaschieranlage Industrielle Produktion Abpackversuche, Lagertest und Charakterisierung der Verpackungskonzepte Validierung für die Markteinführung 18

19 Biopolymere aus Nebenprodukten Erste Ergebnisse Einsatz von WPC anstatt WPI: WPC basierte Formulierungen erreichen Sauerstoffpermeationswerte (OP) < 1,5 cm³(stp)/(m² d bar) bei 23 C and 50 % r.f. (normiert auf 100µm) Modifikation, Formulierung und Agglomeration: Verarbeitungseigenschaften deutlich verbessert (schnellere Löslichkeit, weniger Agglomeratbildung und Reduktion der Viskosität) Kombination mit anorganischen Schichten: OP Werte < 0,1 cm³(stp)/(m² d bar) wurden erreicht BIF Optimierung der Beschichtungs- und Thermoformprozesse Blister und Tuben wurden bereits hergestellt und Trays sind in Arbeit Lackier-und Kaschieranlage Inbetriebnahme voraussichtlich Oktober 2013 Abpackversuche, Lagertest und Charakterisierung der Verpackungskonzepte Validierung der Tuben (Tubenlaminat) und Blister läuft bereits 19

20 Biopolymere aus Nebenprodukten Anwendungsbeispiele 20

21 Biopolymere aus Reststoffen Protein-basierte Papier- und Kartonbeschichtungssysteme Ziele: Entwicklung biologisch abbaubarer Beschichtungen für Verpackungen mit den Basismaterialien PPK. Europäisches Projekt Dauer: Partner in 10 EU Staaten: Vertreter aus Forschungsinstituten, Maschinenbau, Milchindustrie, Verpackungsunternehmen Karton PE Aluminium Frischmilch UHT Milch Quelle: FKN 21

22 Biopolymere aus Reststoffen Protein-basierte Papier- und Kartonbeschichtungssysteme Vom Reststoff zum Rohstoff: Kartoffelpulpe (Hauptbestandteile: Fasern und Protein) fällt bei der Kartoffelstärkeprduktion als unlösliche Fraktion an. (Trockenmasse ca. 140 kt pro Jahr in der EU) Bislang kaum Verwertungsmöglichkeiten Reststoff Fasern können als Füllstoff verwendet werden Proteinkombinationen möglich Know-how aus Molkeproteinprojekten wird adaptiert und zielführend angewendet Quelle: IRIS 22

23 Biopolymere aus Reststoffen Protein-basierte Papier- und Kartonbeschichtungssysteme BioBoard Konzept Entwicklung von Beschichtungen für Kartonagenverpackungen für feste und flüssige Lebensmittel auf Basis von: Molkeprotein Kartoffelprotein (Pulpen- und Fruchtwasserprotein) Entwicklung von Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung mittels Extrusion Thermoplastische Verarbeitung der Proteine Quelle: IRIS Nachweis der verbesserten Recyclierbarkeit 23

24 Biopolymere aus Reststoffen Protein-basierte Papier- und Kartonbeschichtungssysteme Quelle: Verbeek und van den Berg (2010) Ausgangssituation und Herausforderungen Proteine zeigen kein thermoplastisches Verhalten Netzwerk aus Makromolekülen ist stabilisiert und verstärkt durch Wasserstoff-, Disulfidbrücken und hydrophobe Wechselwirkungen Modifikation und Additivierung der Proteine um thermoplastische Verarbeitung zu ermöglichen Gezielte Beeinflussung der intermolekularen Wechselwirkungen Prozessadaption und optimierung Prozessfähigkeit auf bestehenden Anlagen Quelle: Verbeek, C.J.R. and L.E. van den Berg, Extrusion Processing and Properties of Protein-Based Thermoplastics. Macromolecular Materials and Engineering, (1): p

25 Biopolymere aus Reststoffen Protein-basierte Papier- und Kartonbeschichtungssysteme Laborcompounder am Fraunhofer IVV Herangehensweise Proteinextraktion und Aufreinigung Chemische und Biochemische Modifikation Formulierungsentwicklung und Compoundierung Flachfolienextrusion (Prozessoptimierung) Extrusionsbeschichtung (auf PPK) Co-Extrusion und/oder Kaschierung 7-Schicht-Extrusionsanlage Erste Ergebnisse Chemisch modifizierte Formulierungen zeigen thermoplastische Eigenschaften Flachfolienextrusion möglich Charakterisierung (Mechanik, OP, WVTR) läuft 25

26 Source: CADI Source: MLANG Source: ttz Bremerhaven Biopolymere aus Reststoffen Zusammenfassung Die Nutzung von Reststoffen bzw. Nebenprodukten für technische Anwendungen sollte nicht in direkter Konkurrenz zur Lebensmittel- und Futtermittelproduktion stehen, bedarf nach wie vor intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit, kann das Wertschöpfungspotential steigern, könnte in der Zukunft konventionelle Polymerschichten ergänzen und/oder ersetzten, bietet Zusatznutzen (z.b. maßgeschneiderte technofunktionelle Eigenschaften, basierend auf nachwachsenden Rohstoffen, biologische Abbaubarkeit, verbesserte Recyclierbarkeit). 26

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner am Fraunhofer IVV: Zu Wheylayer2 und BioBoard Markus Schmid, M. Sc. Giggenhauser Straße Freising Tel.: / Zu EcoBioCAP Dipl.-Ing. Verena Jost Giggenhauser Straße Freising Tel.: /

28 Literatur zum Thema Bugnicourt, E., & M. Schmid et al. (2013). "Processing and Validation of Whey-Protein-Coated Films and Laminates at Semi-Industrial Scale as Novel Recyclable Food Packaging Materials with Excellent Barrier Properties." Advances in Materials Science and Engineering 2013: 10. Schmid, M. (2012). "Whey protein based barrier coatings - A sustainable alternative in thermoforming applications." Verpackungs-Rundschau - Technisch Wissenschaftliche Beilage TWB 4: Schmid, M. (2013). "Properties of Cast Films Made from Different Ratios of Whey Protein Isolate, Hydrolysed Whey Protein Isolate and Glycerol." Materials 6(8): Schmid, M., et al. (2012). "Fundamental investigations regarding barrier properties of grafted PVOH layers." International Journal of Polymer Science 2012: 6. Schmid, M., et al. (2012). "Properties of whey protein coated films and laminates as novel recyclable food packaging materials with excellent barrier properties." International Journal of Polymer Science 2012: 7. Schmid, M., et al. (2011). "Thermoforming of whey protein-based barrier layers for application in food packaging." Food Science & Technology 25(3): Schmid, M., et al. (2013). "Effects of Hydrolysed Whey Proteins on the Techno-Functional Characteristics of Whey Protein-Based Films." Materials 6(3): Schmid, M. and V. Jost (2013). Biopolymere in Verpackungsanwendungen - Wie aktuelle Forschungsprojekte zukünftig einen Beitrag zur Nachhaltigkeit bei Lebensmittelverpackungen leisten können. RFL - Rundschau für Fleischhhygiene und Lebensmittelüberwachung. Alfeld, Presse Dienstleistungsgesellschaft mbh & Co. KG. 65: