Paludiculturen als alternatieve, biobased grondstof voor papierverpakkingen
Paludiculturen zoals veenmos, riet en rietgras worden al gebruikt als bouwmateriaal, veevoer en levensmiddelen. Vanwege hun lage ligninegehalte zouden veenplanten echter ook een aantrekkelijk alternatief kunnen zijn voor hout als grondstofbron voor duurzaam verpakkingspapier. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Procestechniek en Verpakkingen IVV hebben in haalbaarheidstests al aangetoond dat veenplanten een groot potentieel hebben voor de productie van vouwdozen, trays en soortgelijke artikelen.
Het belangrijkste bestanddeel van papier is de grondstof hout. Tegen de achtergrond van sterk stijgende marktprijzen en een zeer hoge importratio voor houtgrondstoffen in Duitsland (ca. 80 procent) worden alternatieve grondstoffenbronnen voor steeds belangrijker voor de productie van papierverpakkingen. Dit motiveerde de onderzoekers van Fraunhofer IVV in Freising en Dresden om de potentie van veenplanten zoals riet, zegge of rietgras voor duurzame verpakkingen te onderzoeken en overeenkomstige productieprocessen te testen in het PALUDI-project. Het project loopt binnen het kader van het Fraunhofer Biogene Waardecreatie en Smart Farming-initiatief, ondersteund door het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF), het Beierse Ministerie van Economische Zaken, Regionale Ontwikkeling en Energie en het Ministerie van Wetenschap, Cultuur, Federale en Europese Zaken van Mecklenburg-Vorpommern.
Doelbewust gekweekt
De veenplanten die in het project worden bestudeerd, worden doelbewust gekweekt in opnieuw bevochtigde veenmoerassen en vennen. In de toekomst krijgen veenplanten meer ruimte. Dit komt omdat volgens de EU-natuurherstelwet van februari 2024 minstens 30 procent van de oppervlakte van bossen, graslanden en wetlands opnieuw moet worden bevochtigd en gerenatureerd. Dit wordt ook wel paludicultuur genoemd. “Hiermee wordt landbouw in natte veengebieden bedoeld met lokaal aangepaste plantensoorten. Paludiculturen helpen de veengebieden te behouden en dragen bij aan klimaatbescherming, omdat ze de CO2-uitstoot minimaliseren. Dit is nog een reden om ze verder te bestuderen”, zegt Fabian Kayatz, die het project leidt bij Fraunhofer IVV.
Hoe lager het ligninegehalte, hoe lager het gebruik van chemicaliën
Vergeleken met hout worden riet en soortgelijke planten gekenmerkt door een laag ligninegehalte, waardoor er minder chemicaliën nodig zijn bij het verpulpen van plantenvezels om een voldoende hoogwaardige vezel te bereiken die nodig is voor verpakkingstoepassingen. Dit was het resultaat van de chemische karakterisering van paludiculturen uit het Freisinger Moosfengebied. Afhankelijk van de plant bereikten de onderzoekers een ligninegehalte van tussen de 20 en 23 procent. Het geoogste materiaal had een ligninegehalte van 25 of 15 procent lager in vergelijking met zacht- en hardhout. “Hoe lager het ligninegehalte, dat wil zeggen de natuurlijke lijm in de celwanden van de plant, hoe lager het gebruik van hulpbronnen, zoals zuren of logen, is tijdens het chemisch verpulpen en hoe stabieler het vezelnetwerk is dat zich vormt”, legt Kayatz uit. Bovendien heeft de pulp van deze plantenvezels betere mechanische eigenschappen dan pulp van andere stropulpen, zoals maïs of bamboe.
Vezelpulpmethoden met temperaturen onder 100 °C
Bovendien kan lignine uit niet-houtachtige planten gemakkelijker worden vrijgegeven of gescheiden van de vezels. Pulpmethoden zoals bijvoorbeeld alkalische sodapulping blijken uiteindelijk minder energie-intensief te zijn dan conventionele papierproductieprocessen gemaakt van houtvezels. In het geval van het pulpproces dat in het project werd ontwikkeld, dat werd getest op riet en werd overgebracht naar andere paludiculturen, konden de onderzoekers werken met temperaturen van minder dan 100 °C, wat tot 45 procent onder de laagste waarden voor chemische vezelpulpingmethoden ligt en daarom minder energie vereist. De resultaten toonden aan dat, afhankelijk van de instellingen, tot 83% van de lignine kon worden vrijgegeven met behulp van de Fraunhofer IVV-methode.
“Nadat de veenplanten waren geoogst, kon de verkregen biomassa verder worden verwerkt op industriële schaal in de pulpfabriek. De pulpproductie zou dan plaatsvinden door de plantenvezels daar te pulpen”, zo legt Kayatz de eerste stappen uit in het proces van verpakkingsproductie, hoewel het werk in het project nog steeds op laboratoriumschaal werd uitgevoerd. De pulpopbrengst bedroeg, afhankelijk van de gecombineerde parameters, maximaal 53 procent. Dit ligt binnen het verwachte bereik voor conventionele chemische processen.
Verwerkbaarheid
Vervolgende experimenten toonden aan dat de geproduceerde vlakke, vezelgevormde papieren een goede verwerkbaarheid hadden. De treksterkte van vlakke, vezelgevormde laboratoriummonsters was aanzienlijk hoger dan de waarden van het referentiemonster, dat de vorm had van een eierdoos. Door toevoeging van additieven zoals zetmeel en lijmmiddel, was het mogelijk om de treksterkte en elasticiteit en de waterafstotende eigenschappen van de papieren nog verder te verhogen. Bovendien bleken de papieren geproduceerd uit paludiculturen geschikt voor verwerkingsmethoden zoals vouwen, lijmen en bedrukken.
Innovatieve verpakkingen voor de non-foodsector
Met vezelvormende en dieptrekprocessen konden de onderzoekers stevige papieren potten en trays van rietvezels produceren zonder toevoegingen. Ze hadden een laboratoriuminstallatie speciaal voor de productie van deze verpakkingsdemonstranten ontwikkeld. “Veenlandplanten hebben een groot potentieel voor de productie van innovatieve, biogebaseerde verpakkingen. Dit konden we laten zien met onze succesvolle ontwikkeling van hulpbronvriendelijke processen voor pulpproductie. Het milieuaspect is erg belangrijk voor ons. We ondersteunen het behoud van onze veengebieden door landbouwgronden opnieuw te bevochtigen en ze bijvoorbeeld te gebruiken voor paludiculturen”, vat Kayatz samen. Er zijn echter aanvullende optimalisatieprocessen nodig om de productie naar een industriële schaal te verplaatsen. En ook het ontwerpen van door de consument geaccepteerde verpakkingen voor consumptiegoederen vereist verdere optimalisatiestappen van eigenschappen. Bijvoorbeeld met betrekking tot sensorische perceptie of de coating van het materiaal. In eerste instantie zijn er plannen om verpakkingen te produceren voor de non-foodsector, zoals cosmetica, logistiek en kantoorbenodigdheden.
Fraunhofer Instituut voor Procestechnologie en Verpakking IVV (ivv.fraunhofer.de)
