Schnelle und kontrollierbare Reaktion beim Upcycling

Das Liquid State Polycondensation Verfahren (LSP) nutzt die inhärente Eigenschaft des PET in der Schmelzephase um unter Vakuum zu kondensieren. (Bildquelle: NGR)

Das Prinzip zur Verbesserung der PET Eigenschaften – besonders im Hinblick auf die Verlängerung der Molekülketten und die Entfernung unerwünschter Bestandteile – ist nicht neu, wurde aber bisher fast ausschließlich im SSP-Verfahren (Solid State Polycondensation) durchgeführt. Dabei werden PET Granulate oder PET Bottle Flakes unter einer Vakuum-Umgebung oder inertem Gas für einige Stunden bei Temperaturen von 200 bis 240°C gehalten. Die Zunahme der Molmasse des PET ist messbar als Intrinsic Viscosity, kurz IV, und beträgt für Pellets ca. 0,01 bis 0,02 dl/g je Stunde und für PET Bottle Flakes 0,05 bis 0,06 dl/g je Stunde. Wie der Name schon sagt, befindet sich hier das PET in der Feststoffphase.

Das Liquid State Polycondensation Verfahren (LSP) nutzt die inhärente Eigenschaft des PET in der Schmelzephase um unter Vakuum zu kondensieren. Diese Kondensation führt zu einer Erhöhung des IV-Werts. Das Hochleistungsvakuum dekontaminiert das Material von schädlichen Chemikalien, welches die weitere Verwendung für 100%igen Lebensmittelkontakt sicherstellt. Die Reinigung des Materials unterschreitet die Grenzwerte, welche von anerkannten internationalen Lebensmittelstandards vorgegeben werden bei weitem. Des Weiteren entfernt das LSP-Verfahren Spinnöl von PET-Fasern. Der IV-Wert Anstieg kann in 0,01dl/g pro Minute gemessen werden. Im Gegensatz zum SSP, arbeitet LSP kontinuierlich und kann deshalb in einem sehr schmalen Toleranzbereich den gewünschten IV konstant halten.

Die Hardware zum LSP-Verfahren

Das LSP-Verfahren wurde von der Next Generation Recyclingmaschinen (NGR), Feldkirchen,  entwickelt und zur Serienreife gebracht. Die Maschinenserie P:React arbeitet nach dem LSP-Verfahren und verarbeitet, je nach Baugröße, PET im Ausstoßbereich von 150kg/h bis 2.200kg/h. Das geschmolzene PET tritt in den vertikalen Teil der Maschine ein, wobei hier Stränge geformt werden, um ein geeignetes Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen zu erzeugen. Das Material wird anschließend in einer horizontal angelegten Trommel gesammelt und langsam nach vorne befördert. Die Kondensation startet unmittelbar nachdem die Stränge geformt werden und wird fortgesetzt, bis das PET die Maschine verlässt. Der Anstieg des IV-Werts wird durch die Verweilzeit der Schmelze in P:React und der Höhe des Vakuums beeinflusst und wird aktiv gesteuert. Die Einstellung dieser beiden Parameter erlaubt die Steuerung des IV-Werts auf das gewünschte Niveau.

Kontinuierlicher Betrieb, schneller IV-Anstieg und hohe Dekontaminationsleistung

Im kontinuierlichen Betrieb erzeugt die P:React-Anlage rPellets, die sich für den Einsatz in wertvollen High-End-Anwendungen, wie Faserspinnen und Folienextrusion, etc., anbieten. IV-Schwankungen, wie von diskontinuierlichen Verfahren bekannt, sind beim LSP-Verfahren von vorne herein ausgeschlossen. Aufgrund der günstigen Betriebsbedingungen in der LSP-Verfahresanlage, wie Temperatur, Oberflächen/Volumen Verhältnis der Schmelze und Hochleistungsvakuum, wird die Nachkondensation des PET problemlos ausgelöst. Damit ergeben sich IV-Steigerungsraten von etwa 0,01 dl/g pro Minute. Die höhere Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt die Produktion und ermöglicht einen rentableren Betrieb. Kontaminationen, wie Spinnöle und nicht für den Lebensmittelkontakt brauchbaren Kontaminationen, werden durch das Hochleistungsvakuum effizient entfernt. Aufgrund der hohen Dekontaminationsleistung ist die Anlage für viele Anwendungen geeignet und sichert damit maximale Flexibilität. Von unabhängigen Einrichtungen durchgeführte wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass die schädlichen Bestandteile der PET-Schmelze in der P:React-Anlage einfach und zuverlässig entfernt werden, so dass die Einhaltung strengster Sicherheitsnormen für 100 % Lebensmittelkontakt gewährleistet ist.

Die Reinigungsleistung des Systems wurde vom Fraunhofer IVV in Freilassing/Deutschland wissenschaftlich mittels „Challenge-Test“ bestätigt. Bei diesem Test werden PET Bottle Flakes absichtlich mit definierten Chemikalien verunreinigt. Diese kontaminierten Flakes wurden durch P:React gefahren und die erhaltenen PET rPellets anschließend von Fraunhofer auf Kontaminations-Rückstände hin überprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass 4 von 7 Chemikalien unter der Nachweisgrenze blieben und die verbleibenden 3 Chemikalien erheblich unter den Grenzwerten der EFSA (Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit) blieben. Auf Basis dieses Tests stellte die FDA (Food and Drug Administration – USA) im November 2013 eine Unbedenklichkeitsbescheinigung für 100%igen Lebensmittelkontakt aus.

Hohe Energieeffizienz

P:React regelt die Verweildauer der PET-Schmelze im Reaktor aktiv und stellt die Maschinenparameter automatisch ein, um den gewünschten IV-Wert auf einem stabilen Niveau zu halten. Für das Recycling von PET muss das Material geschmolzen werden. P:REACT nutzt die Energie der Schmelze zur Nachkondensation des PET. Der Reaktor selbst hält nur das Temperaturniveau aufrecht. Daher ist LSP-Verfahrensanlage eine hochgradig energieeffiziente Anlage mit niedrigen Betriebskosten. Das Beispiel zeigt eine Anlagenkonfiguration, welche bei einem Faserhersteller im Frühjahr 2015 installiert wurde. Dabei werden feuchte PET-Fasern (3.600ppm Feuchtegehalt) zu rPellets aufbereitet. Im ersten Schritt werden die PET-Fasern aus Produktionsabfällen gesammelt und in einer Schredder-Feeder-Extruder-Kombination zerkleinert, aufgeschmolzen und entgast. Die Schmelze wird im P:React entsprechend der obigen Beschreibung aufbereitet und aus der PET-Schmelze rPellets mit einem IV-Wert von 0,70dl/g erzeugt. Die rPellets werden absolut gleichwertig gegenüber der PET-Neuware zur Erzeugung von PET-Fasern eingesetzt.

Der flexible Einsatz des LSP-Prozess

Bei der Verarbeitung von Kunststoffen entsteht Kunststoffabfall. Ziel des Recycling ist hier aus dem Produktionsabfall das Material so wieder aufzubereiten, dass dieses im Hauptprozess ohne Qualitätsverluste eingesetzt werden kann. Im Fall von PET gestaltet sich dies deshalb schwierig, weil PET durch thermische Belastung während der Verarbeitungsschritte abbaut – Senkung des IV-Werts. Um hier wieder leistungsfähiges Polymer zu erhalten, empfiehlt sich eine Aufwertung, sodass rPET gleichwertig zum Originalgranulat verwendet werden kann.

Aus den unterschiedlichen PET-Verarbeitungsprozessen entstehen Produkte und notgedrungen Produktionsabfälle wie Fasern, Sheets für Thermoformen, Flaschen, Preforms, Umreifungsbänder, Wovens respektive Non-Wovens, etc., All diese Produktionsabfälle können wertstofflich wieder aufbereitet werden und dem ursprünglichen Verarbeitungsprozess zugeführt werden. Ebenso lässt sich der LSP-Prozess bei End-of-Life PET Produkten einsetzen. Ausgangspunkt stellen hier PET Bottle Flakes dar.