15. Februar 2025
Wie kann die Verpackungsbranche ihre Umweltbilanz verantwortungsvoll verbessern? Die Materialwissenschaft steckt voller innovativer Ideen.
Einige der größten wissenschaftlichen Durchbrüche sind auf Teamarbeit zurückzuführen – und der Bereich der Verpackungen für Lebensmittel und Getränke bietet zahlreiche Möglichkeiten für gemeinsame Innovationen. Durch die Verknüpfung wesentlicher Sektoren wie Nachhaltigkeit, Materialentwicklung und Lebensmittelsicherheit konnte die Verpackungsbranche große Fortschritte bei der Reduzierung der Kohlenstoffbilanz von Verpackungen und der Verbesserung ihrer Recyclingfähigkeit erzielen – bei gleichzeitiger Gewährleistung der Sicherheit von Lebensmitteln und Getränken. Es gibt jedoch noch viel Raum für weitere Innovationen.
„Wir arbeiten mit führenden Wissenschaftlern und Forschern aus verschiedenen Bereichen zusammen, um die neuesten Technologien und Materialien zu erforschen, damit wir unsere Kartonverpackungen kontinuierlich zu den nachhaltigsten Lebensmittelverpackungen
der Welt1 weiterentwickeln können“, erklärt Joakim Tuvesson, Vice President of Materials and Packaging bei Tetra Pak.
Aus der Vergangenheit lernen, um die Zukunft zu gestalten
Die Materialwissenschaft hat im letzten Jahrhundert große Fortschritte gemacht. Unser Verständnis für die potenzielle Nutzung von Materialien ist heute um Lichtjahre weiter als noch vor Jahrzehnten, was Forschern ein breites Feld an Möglichkeiten bietet.
„Denken Sie nur an Bill Hoyt, den Olympiasieger im Stabhochsprung von 1896, der mit einem Stab aus Hickoryholz eine Höhe von 3,30 Metern erreichte“, betont Professor Rajni Hatti-Kaul, Professorin für Biotechnologie an der Universität Lund. „Das war vor 130 Jahren eine beeindruckende Leistung, doch sie verblasst im Vergleich zu heutigen Athleten, die mit Glasfaser- und Karbonstangen über 6 Meter springen!“
„Je mehr nachwachsende Rohstoffe und recycelbare Materialien in einer Verpackungslösung verwendet werden können, desto besser ist die Umweltbilanz.“
Doch der Fortschritt in der Materialtechnologie ist nicht ohne Nachteile. Auf globaler Ebene stehen wir vor dringenden ökologischen Herausforderungen im Zusammenhang mit modernen Materialien, darunter insbesondere Kunststoffe, die aus fossilen Rohstoffen gewonnen werden. Diese Materialien sind nicht-nachwachsenden Rohstoffe und verursachen derzeit etwa 4 % der globalen Treibhausgasemissionen.
Neue Materialien lassen sich nicht über Nacht entwickeln
Erfreulicherweise hat dieses Dilemma eine Generation innovativer Materialforscher dazu inspiriert, neue Möglichkeiten in anderen Bereichen zu suchen. Jenseits der unbestreitbaren Priorität, Qualitäts- und Hygienestandards einzuhalten, sind im Zusammenhang mit Verpackungen zwei Eigenschaften besonders wichtig: Nachhaltigkeit und Wiederverwertbarkeit. Je mehr nachwachsende Rohstoffe und recycelbare Materialien in einer Verpackungslösung verwendet werden können, desto besser ist die Umweltbilanz.
Damit die Entwicklung nachhaltigerer Verpackungslösungen ohne Abstriche bei der Lebensmittelsicherheit gelingt, ist jedoch Engagement erforderlich, da die Entwicklung neuer Materialien und Technologien oft eine Vorlaufzeit von bis zu 20 Jahren hat. Die Erforschung und Entwicklung von Klettverschlüssen dauerte beispielsweise 10 Jahre.
Die Hinwendung zu mehr nachwachsenden Rohstoffen
Um die Kohlenstoffbilanz von Verpackungen zu minimieren, muss man bei den Materialien und deren Beschaffung ansetzen. Die Branche ist auf dem besten Weg, Alternativen zu Materialien auf Basis fossiler Rohstoffe zu entwickeln, welche die Umwelt weniger belasten.
„Wir stehen noch ganz am Anfang, aber pflanzenbasierte Produkte bergen ein enormes Potenzial, um ein Beispiel zu nennen, das durch grüne Chemie und metabolisches Engineering von Mikroorganismen erschlossen werden kann“, sagt Professor Hatti-Kaul. „Diese Methoden ermöglichen die Produktion von Grundelementen für Kunststoffe und stellen eine äußerst überzeugende Alternative zu fossilen Materialien dar.“
„Bei neuen Materialien und Technologien beträgt die Vorlaufzeit bei der Entwicklung oft bis zu 20 Jahre.“
Tetra Pak konnte sich in diesem Bereich bereits einen Vorsprung verschaffen, indem das Unternehmen pflanzenbasierte Produkte für Verschlüsse und Beschichtungen von Verpackungsmaterialien einsetzt und eine papierbasierte Barriere als Alternative zur Aluminiumfolienschicht in herkömmlichen aseptischen Kartons entwickelt hat. Und die Zukunft sieht vielversprechend aus: Die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien bereitet den Weg für einen systemischen Wandel in der Produktion von Polymeren und nachhaltigem Recycling.
„Durch die Entwicklung neuer Techniken und Verfahren für die Produktion arbeiten Forscher intensiv daran, unsere Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen zu verringern“, fügt Professorin Hatti-Kaul hinzu. „Dies könnte die Umweltbelastung durch Verpackungsmaterialien minimieren.“
Materialspezialisten und Modellhersteller vernetzen
Das Engagement für einen höheren Anteil nachwachsender und recycelbarer Rohstoffe in Verpackungen ist nur ein Teil eines hochkomplexen Puzzles. Dieses Puzzle erfordert auch eine sorgfältige Beachtung der Lebensmittelsicherheit. Aus diesem Grund ist eine Zusammenarbeit zwischen Materialexperten, Experimentalforschern und Modellherstellern erforderlich, die gemeinsam umfassende Modelle entwickeln können, durch die sich das Verhalten dieser Materialien in realen Anwendungen genau vorhersagen lässt.
„Wir stehen noch ganz am Anfang, aber biobasierte Polymere, die mithilfe von grüner Chemie und metabolischem Engineering hergestellt werden können, bergen ein enormes Potenzial.“
„Betrachten wir zum Beispiel, was mit Polymeren geschieht, wenn sie sich verformen: Es sind die Veränderungen und Wechselwirkungen auf der Ebene der Polymerketten, die das Gesamtverhalten des Materials bestimmen“, sagt Professor Stephen Hall, Professor für Festkörpermechanik an der Universität Lund. „Das Verständnis der Eigenschaften von Materialien auf ihren relevanten mikrostrukturellen Ebenen unter verschiedenen Bedingungen ist für zuverlässige Verpackungslösungen unerlässlich, da diese Eigenschaften die Fähigkeit der Verpackung beeinflussen, die darin enthaltenen Lebensmittel zu schützen.“
Röntgentechnologie hilft uns zu verstehen, wann Materialien versagen
Entscheidende Fragen wie das Verständnis der Beziehung zwischen dem Eindringen von Wasser und der Verformung von Papiermaterialien – was für die Entwicklung von papierbasierten Verpackungen, die sowohl haltbar als auch recycelbar sind, notwendig ist – hängen von dem ab, was Professor Hall als „Materialcharakterisierung“ bezeichnet. Dieser Prozess setzt voraus, dass man die Eigenschaften von Materialien unter verschiedenen Bedingungen versteht, um die Eignung des Materials für bestimmte Anwendungen beurteilen zu können.
An dieser Stelle kommen fortgeschrittene experimentelle Techniken wie die Röntgentomographie und die Röntgenstreuung ins Spiel. Dies sind einige der wichtigsten Techniken, die von Experten bei Max IV, einer Forschungseinrichtung der Universität Lund, eingesetzt werden, um im Wesentlichen ein Bild der inneren Struktur eines Objekts oder Materials von der atomaren Ebene bis zur Größe des Produkts zu erstellen.
„Der erste Schritt in diesem Prozess besteht darin, die Struktur von Materialien wie Karton und Kunststoff auf atomarer, molekularer und mikrostruktureller Ebene mithilfe dieser Röntgentechniken zu messen“, erklärt Professor Hall. „Anschließend setzen wir das Material beispielsweise Hitze, Feuchtigkeit oder anderen Umweltbedingungen aus, um zu beobachten, wann und wie es sich verändert, verformt oder zerfällt.“
Datenanalyse mit künstlicher Intelligenz
Zur Unterstützung und Nutzung des Wissens, das in weltweit renommierten Forschungseinrichtungen generiert wird, aber auch, um es in die Praxis umzusetzen, ging Tetra Pak eine Zusammenarbeit mit der Universität Lund ein.
Für eines der ersten Projekte im Rahmen dieser Partnerschaft nutzten die Forscher künstliche Intelligenz, um Daten aus der Röntgenstreuung zu analysieren. Diese Analyse bietet wertvolle Einblicke in die Struktur und das Verhalten von Materialien wie Holzfasern und Polymeren unter Bedingungen wie Belastung und bei Materialveränderungen.
„Mithilfe von Röntgentechniken können wir die Moleküle der Verpackungsmaterialien beobachten und sehen, wann sie sich zersetzen, auflösen oder verformen.“
Wissenschaftler nutzen diese Informationen, um die Widerstandsfähigkeit der Materialien zu bestimmen, die eine der wichtigsten Eigenschaften für die Sicherheit von Lebensmittelverpackungen ist. Sind die physikalischen Eigenschaften der Materialien genauer erfasst, können Modellbauer diese Informationen nutzen, um Modelle über das Verhalten des Materials zu entwickeln, was für fundierte Entscheidungen über die Materialentwicklung für Verpackungen von zentraler Bedeutung ist.
Forschung, die weit über den Bereich der Verpackungen hinaus von Nutzen sein kann
Kooperationen dieser Art haben nicht nur das Potenzial, die Verpackungsbranche zu verändern, sondern könnten weit darüber hinaus Auswirkungen haben. Die Entwicklung vollständig nachwachsender und recycelbarer Materialien birgt das Potenzial, neue Standards in verschiedenen Sektoren zu setzen – von Konsumgütern bis hin zum Gesundheitswesen.
„Wir streben die Verwendung von Materialien an, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können und sich am Ende ihres Lebenszyklus leicht recyceln lassen. Dies ist jedoch nur ein Teil unseres übergeordneten Ziels“, sagt Joakim. „Die Herausforderung liegt nicht nur darin, nachhaltige Verpackungen zu entwickeln, sondern den gesamten Lebenszyklus von Verpackungsmaterialien neu zu definieren.“
„Die Entwicklung vollständig nachwachsender und recycelbarer Materialien birgt das Potenzial, neue Standards in verschiedenen Sektoren zu setzen – von Konsumgütern bis hin zum Gesundheitswesen.“
Die aus diesen Studien gewonnenen Erkenntnisse könnten möglicherweise auch den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft beschleunigen. Derartige Fortschritte könnten einen Dominoeffekt auslösen, indem sie die Erwartungen der Verbraucher dahingehend verändern, dass Unternehmen die Nachhaltigkeit ihrer Geschäftstätigkeit und ihrer Produkte verbessern. Letztendlich könnte dies auch die Gesetzgebung so beeinflussen, dass sie sich daran orientiert, was für die menschliche Gesundheit und den Planeten am besten ist.
Wenn Sie mehr über die wissenschaftlichen Aspekte der Entwicklung von Verpackungsmaterialien erfahren möchten, empfehlen wir Ihnen unseren Artikel über die Sicherheit von Lebensmittelverpackungen. Erfahren Sie, wie unsere Experten sicherstellen, dass nachhaltigere Verpackungen nicht auf Kosten der Lebensmittelsicherheit gehen.
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1 Eine Kartonverpackung aus erneuerbaren oder recycelten Materialien, die verantwortungsbewusst beschafft werden und somit zum Schutz und zur Wiederherstellung des Klimas, der Ressourcen und der biologischen Vielfalt unseres Planeten beitragen. Sie trägt zu einer kohlenstoffarmen Produktion und Verteilung bei, ist praktisch und sicher, was dabei hilft, ein widerstandsfähiges Lebensmittelsystem zu schaffen, sowie vollständig recycelbar.