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Bioökonomie: Hilfsstoffe für die Papiererzeugung und -verarbeitung auf Basis nachwachsender Rohstoffe – Neues Themenfeld

Bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts wird die größte Herausforderung für die Menschheit sein, den von ihr verursachten Klimawandel vor dem Hintergrund der bestehenden Infrastruktur und einer wachsenden Weltbevölkerung im notwendigen Maße einzugrenzen. Zur Sicherung des Lebensstandards und der Erhaltung von Lebensräumen und damit der Biodiversität unserer Erde wird es erforderlich sein, eine stringente Transformation der bisherigen Lebens- und Wirtschaftsweise durchzuführen. Schlüsselmaßnahme, um das im Pariser Klima- schutzabkommen festgelegte Ziel eines globalen Temperaturanstiegs von maxi- mal 1,5 °C bis 2050 zu erreichen, ist die Abkehr von fossilen Ressourcen hin zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe, d.h. der schrittweise Aufbau einer Bioökonomie. Einem frühzeitigen Beginn mit konkreten Umsetzungsmaßnahmen wird für die Wirksamkeit der angestrebten Effekte dabei eine besondere Bedeutung beigemessen, wodurch die gerade begonnene Dekade ins Licht rückt.

Deutschland wird nicht zuletzt durch seine hervorragende Innovationsinfrastruktur ein Vorreiter dieser Bewegung sein und so wurde das Wissenschaftsjahr 2020 genau diesem Konzept der Bioökonomie gewidmet. Bereits im Januar hat das Bundeskabinett dazu die neue „Nationale Bioökonomiestrategie“ beschlossen (Abb. 1). Als Gemeinschaftsproduktion von BMEL und BMBF baut sie auf der "Nationalen Forschungsstrategie BioÖkonomie 2030" und der "Nationalen Politikstrategie Bioökonomie" auf. Die Politik hat damit entsprechende Weichen gestellt, die notwendigen Schritte einzuleiten. Nun ist auch die Industrie herausgefordert, einen entscheidenden Beitrag zu leisten. Damit wird auch der wirtschaftliche Erfolg auf den Märkten der Zukunft von bioökonomischen Lösungen abhängen.

Abb. 1: Deckblatt: Nationale Bioökonomiestrategie

Doch wie ordnet sich die Papierbranche in diese Entwicklung ein? Vor den genannten Hintergründen ist die klassische Papiererzeugung und -verarbeitung seit jeher eine weitgehend bioökonomisch arbeitende Branche, die sich in erster Linie der nachwachsenden Ressource Holz bedient und hieraus cellulosische Faserstoffe zur Papierherstellung extrahiert. Damit ist Papier schon jetzt vergleichsweise nachhaltig, denn es ist ein auf nachwachsenden Rohstoffen niederer Qualität basierendes wertschöpfungssteigerndes Material, das seit langem durch mehrfaches Recycling ein hervorragendes Beispiel für eine stoffliche Kaskadennutzung ist. Jedoch wird für die Konkurrenzfähigkeit von Papieren mit anderen Materialien – besonders mit Blick auf derzeitige Entwicklungen in der Herstellung, Nutzung und dem Recycling von Biokunststoffen – eine Weiterentwicklung der energieintensiv arbeitenden Papierindustrie in eine CO2-arme Bioökonomie in Zukunft noch wichtiger als bisher sein.

Begrifferläuterung: Was ist Bioökonomie?

Bioökonomie wird definiert die „Erzeugung, Erschließung und Nutzung biologischer Ressourcen, Prozesse und Systeme, um Produkte, Verfahren und Dienstleistungen in allen wirtschaftlichen Sektoren im Rahmen eines zukunftsfähigen Wirtschaftssystems bereitzustellen. Bioökonomische Innovationen vereinen biologisches Wissen mit technologischen Lösungen und nutzen die natürlichen Eigenschaften biogener Rohstoffe hinsichtlich ihrer Kreislauffähigkeit, Erneuerbarkeit und Anpassungsfähigkeit. Die Bioökonomie birgt das Potenzial, neuartige Produkte und Verfahren hervorzubringen, um Ressourcen zu schonen und Wohlstand zu schaffen.“ Zu diesen Ressourcen gehören Pflanzen, Mikroorganismen, Pilze, aber auch das Wissen über biologische Zusammenhänge. Sie hat damit das Ziel, Ökonomie und Ökologie für ein nachhaltiges Wirtschaften zu verbinden.

Für die gesamte Branche ergibt sich neben dem weiteren Schließen von Kreisläufen und der Erhöhung der Effizienz von Prozessen und Wertschöpfung besonders der Ausbau der Rohstoffbasis zur Entwicklung 100% biobasierter Papierprodukte als wichtiger Ansatzpunkt. Hilfsstoffe für die Papiererzeugung und -verarbeitung, wie etwa Barrierebeschichtungen, Streichfarbenbinder, Klebstoffe, Retentions- oder Nassfestmittel, bestehen in zahlreichen Fällen aus Polymeren, die auf Basis von Erdöl und Erdgas synthetisiert werden. Neben dem damit verbundenen Eintrag von fossilem CO2 zeichnen sich derartige Materialien häufig durch eine ungünstige Bioabbaubarkeit aus, wodurch generell Potenzial zur Bildung von Mikroplastik besteht.

Im idealen Fall gelänge es also, eine vergleichbare Performance durch solche Stoffe zu erzeugen, die kosteneffizient aus nachwachsenden Rohstoffen zugänglich sind, in den etablierten Recyclingkreisläufen einfach abgetrennt und bei unbeabsichtigter Freisetzung in die Umwelt vollständig abgebaut werden können.

Um dieser Herausforderung forschungs- und transferseitig zu begegnen, bilden „Biobasierte Papierhilfsmittel“ einen wichtigen inhaltlichen Bestandteil des PTS Forschungsschwerpunktes „Entwicklung von ressourceneffizienten Verfahren und faserbasierten Produkten“. Ziel der Forschungsarbeiten soll es sein, Papiere zu 100 % auf eine nachwachsende Rohstoffbasis zu stellen, ohne etablierte Prozesse und Kreisläufe zu gefährden. Ergänzend fertigt die PTS derzeit gemeinsam mit der Forschungsvereinigung Papiertechnik e.V. (FPT) eine Studie zu diesen Fragestellungen an. Bereits jetzt postulieren zahlreiche international agierende Konzerne die vollständige Abkehr von fossilen Rohstoffen für ihre Produkte und deren Verpackungen bis 2030. Besonders für letzteren Wachstumsmarkt muss die Papierbranche perspektivisch entsprechende Lösungen anbieten können. Derzeit werden in Deutschland in der Papiererzeugung neben 15 Mio.t Altpapier jährlich 5,2 Mio.t Faserstoffe und 0,9 Mio.t Prozess- und Funktionschemikalien eingesetzt. Letztere Gruppe besteht zu etwa 40% aus synthetischen Polymeren, welche perspektivisch durch biobasierte Additive ersetzt werden sollten. Nicht eingeschlossen sind dabei Stoffe, die in der Papierveredelung oder -verarbeitung genutzt werden.

Abb. 2: Variabilität in der biogenen Rohstoffbasis

Die biogene Rohstoffbasis (Abb. 2) bietet hierfür eine breite Palette an einsetzbaren Stoffen, die sich durch ihren Polymercharakter und ihre Strukturmotive zur Substitution eignen. In einigen Fällen ist eine direkte Nutzung möglich (z.B. Stärke, Wachse, Gelatinen…), in anderen Fällen lässt sich die molekulare oder übergeordnete Struktur nutzen, um durch simple chemische oder mechanische Transformationen vielversprechende Eigenschaftsprofile generieren und auf diese Weise konkurrenzfähige Produkte wie zum Beispiel Nanocellulosen oder geladene Polysaccharide erzeugen zu können. Hierdurch ergibt sich ein klarer Vorteil gegenüber fossilen Rohstoffen, die nahezu ausschließlich über den Umweg der Plattformchemikalien und nachgelagerter Polymerisation nutzbar sind. (Abb. 3) Allerdings wird es erforderlich sein, stattdessen die größere Schwankungsbreite in den Eigenschaften der verwendeten Naturprodukte zu akzeptieren und sicher in bestehende Prozesse zu integrieren. Hier kann die Digitalisierung einen wichtigen Beitrag leisten.

Abb. 3: Gegenüberstellung der biogenen und fossilen Routen zur Erzeugung von Polymeren für Papierhilfsstoffe

Die PTS wird hierfür entlang der Innovationskette von der Entwicklung neuer Substanzen über die Anwendung im Papiererzeugungs- oder verschiedenen Veredelungs- bzw. Verarbeitungsprozessen bis hin zur Beurteilung der Prozess- und Kreislauffähigkeit forschen. Je nach Anwendungsfeld spielt hierfür auch die Bioabbaubarkeit eine Rolle. Neben der reinen Entwicklung von neuen Lösungen wird es erforderlich sein, auch neue Konzepte zu erarbeiten, um die neuen Lösungen in bestehende Prozesse einbinden und die Vielzahl an parallel bestehenden Anforderungen erfüllen zu können (Drop-In-Lösungen). Beispielsweise kann es dazu erforderlich sein, die Applikation von Additiven auch komplett neu zu denken und statt eines wasserlöslichen Prozessadditivs auch etwa chemisch derivatisierte Faserstoffe einzusetzen, die neben ihrer mechanischen Wirkung im Papier zusätzlich eine darüber hinausgehende Performance bewirken, jedoch keine zusätzliche Belastung des Prozesswassers mit sich bringen. Der neue Forschungsschwerpunkt bedeutet für die PTS auch infrastrukturelle Veränderungen. Neben der chemischen Kompetenz wird in den letzten Jahren an der PTS verstärkt in chemische Reaktionstechnik und Analytik investiert, um diese Forschungsaufgaben auf höchstem Niveau durchführen zu können. Zur Stärkung des Transfers und der Vernetzung von Industrie und Forschung hat die PTS ergänzend zum Forschungsschwerpunkt die neue internationale Fachtagung „Biobased Solutions in Papermaking and Converting“ ins Leben gerufen, die erstmalig in diesem Jahr am 6. und 7. Oktober in Radebeul bei Dresden stattfinden wird. So wird die PTS auch zukünftig einen entscheidenden Beitrag für die Bio- ökonomieentwicklung in Deutschland leisten können.