Kunststoffverpackungen besser sortieren

In den Haushalten werden Kunststoffverpackungen aller Art über den Gelben Sack oder die Gelbe Tonne entsorgt. Beim Recyclingunternehmen werden diese nach Hauptpolymeren und Monomaterialien sortiert, aber nicht nach den Unterklassen. Dies führt zu Rezyklaten mit unterschiedlichen Qualitäten, da die Zusammensetzung des Abfalls verschieden ist. In einem Forschungsprojekt wurde ein Tracer-basierter Sortieransatz untersucht, der die Abfalltrennung im Sinne der Kreislaufwirtschaft ermöglicht. PLASTVERARBEITER sprach mit Professor Dr.-Ing. Claus Lang-Koetz, Professor für Nachhaltiges Technologie- und Innovationsmanagement an der Hochschule Pforzheim, und Jochen Moesslein, Geschäftsführer Polysecure, über den neuen Sortieransatz.

Vor welchem Hintergrund haben Sie den Tracer-basierten Sortieransatz (TBS) für Kunststoffe entwickelt?

Jochen Moesslein: Kunststoffe können heute durch den Stand der Technik (NIR-Reflektions-Spektrometrie) nur nach Hauptpolymeren und nur bei Monomaterialien sortiert werden – nicht aber nach den Unterklassen der Polymere (zum Beispiel PP-Homo, PP-Block-Copo, PP-Random-Copo), nach Anwendungen (zum Beispiel Food versus Nonfood), nach speziellen Varianten (beispielsweise Multilayer) oder gar Hersteller. Wenn eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe umgesetzt werden soll, dann wird eine bessere Sortierung benötigt, um nur annährend die funktionale Differenzierung zu erhalten, die es heute für frische Kunststoffcompounds gibt.

Eine Lösung aus diesem Dilemma bietet das Tracer Based Sorting (TBS) von Polysecure. Durch TBS können Materialströme nach frei definierbaren Fraktionen sortiert werden. Sind aus Marktsicht bei Verpackungen beispielsweise 30 bestimmte Fraktionen sinnvoll (wie PET-Food mit Sauerstoffbarriere, PET-Food ohne Sauerstoffbarriere, PET-Nonfood, PET-G), dann werden die jeweiligen Verpackungen mit unterschiedlichen Tracern markiert. Die TBS-Sortiertechnik sortiert dann nach Tracer in die entsprechenden Fraktionen.

Claus Lang-Koetz: Um die technischen Potenziale der TBS-Technologie erforschen zu können, wurde das BMBF-geförderte Projekt „Markerbasiertes Sortier- und Recyclingsystem für Kunststoffverpackungen“ (MaReK) gestartet. Der Ansatz des Tracer Based Sorting wird hier effizient auf Kunststoffverpackungen angewandt und bietet ein großes Potential, aktuelle Sortierprobleme zu lösen, Kosten zu senken und die Qualität der Rezyklate zu erhöhen. Das trägt außerdem zur Steigerung der Recyclingquote und zum Vermeiden von CO2-Emissionen und Plastikabfällen in der Umwelt bei.

Projektpartner sind

• Hochschule Pforzheim, Institut für Industrial Ecology INEC, Pforzheim,
• Polysecure, Freiburg,
• Der Grüne Punkt – Duales System Deutschland, Köln,
• Werner & Mertz, Mainz,
• KIT Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mikrostrukturtechnologie, Karlsruhe.

Das Projekt (Laufzeit: 01.07.2017 bis 31.12.2020) wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenprogramm „Forschung für Nachhaltige Entwicklung“ (FONA3) in der Fördermaßnahme „Plastik in der Umwelt“. Betreut wird das Projekt vom Projektträger Jülich (Projektträgerschaft Ressourcen und Nachhaltigkeit), Förderkennzeichen 033R195A-E.

Welche Moleküle bilden deren Basis und wie werden diese angeregt?

Moesslein: Die fluoreszierenden Tracer sind kleine anorganische Kristalle, die eine hohe Temperaturstabilität, hohe Robustheit, gute Biokompatibilität, aber auch eine verlässliche Detektion erreichen. Solche Materialien werden von Polysecure heute schon in beispielsweise Dekorfolien im Außeneinsatz, mit einer Gewährleistung von 20 Jahren, eingesetzt. Die Tracer werden durch Laseroptiken oder LEDs angeregt, wodurch eine hohe Effizienz erreicht wird. Für das Markieren einer Verpackung sind zum Beispiel nur Markermengen im µg-Bereich erforderlich. Die Marker sind also kein signifikanter Kostenfaktor. Nach Anregen der Tracer emittieren diese ihr Fluoreszenzsignal grundsätzlich radialsymmetrisch. Daher erfordert die Erkennung keinerlei bildoptische Ausrichtung der Objekte. Dies ist die Grundlage für hohe Durchsatzgeschwindigkeiten bei gleichzeitig sehr hohen Erkennungsraten. Das TBS-Signal ist im Prinzip ein isotroper Sortiercode.

Welche Möglichkeiten gibt es ein Produkt zu markieren?

Lang-Koetz: Bei Kunststoffverpackungen können die Tracer auf zwei Arten auf beziehungsweise in die Verpackungen integriert werden:

• Tracer in Druckfarbe

Die Tracer werden gemäß Fraktion oder Sortiercode in eine helle Druckfarbe dispergiert und werden dann auf dem Etikett oder direkt auf der Verpackung aufgebracht. Dies ist derzeit die favorisierte Aufbringungsoption für Verpackungen. Die Tracer werden mit der Druckfarbe entfernt, so dass die Rezyklate keinerlei Tracer enthalten. Denkbar ist, dass das TBS-Sortiercode-System mit nur drei Drucktinten hergestellt werden kann. Das Drucken der Tracer erfordert keinerlei Umstellen oder spezifisches Einstellen für die Druckereien.

• Tracer im Packstoff

Die Verpackung wird durch Tracer im Packstoff flächendeckend und homogen markiert. Ein großer Vorteil der homogenen Tracer-Verteilung ist, dass die Tracer neben der Artikelsortierung auch für die Flake-Sortierung genutzt werden können. Die erforderlichen Tracer-Mengen sind im ppm-Bereich.

Wie ermöglichen die Marker die Sortierung des Abfallstroms zu sortenreinen Fraktionen? Wie hoch war die Sortenreinheit der durchgeführten Versuche?

Moesslein: Verpackungen werden mit geringen Mengen der Fluoreszenztracer entsprechend eines spezifischen Verwertungspfads markiert. Dies kann sowohl im Packstoff als auch auf der Verpackungsdekoration (über die Druckfarbe) erfolgen.

Zur Detektion und Sortierung werden die Verpackungen entweder durch einen konventionellen NIR-Sorter (TBS light) oder durch eine spezifisch optimierte TBS-Sortiermaschine (TBS complete) geführt. In den Sortiermaschinen wird die Fluoreszenz der Tracer angeregt und gemessen. Daraus ergeben sich die Sortierfraktionen.

Bei konventionellen NIR-Sortern erfolgt das Ausschleusen durch Druckluft in nur zwei Fraktionen, für 10 Fraktionen werden also mindestens 9 Sortierstufen benötigt. Bei der spezifisch von uns optimierten TBS-Sortiermaschine erfolgt die Ablage aus einer Detektionsstufe (nach Verpackungsspezifikation über TBS und nach Farbe) heraus durch Fallklappen in beliebig viele Fraktionen. Zum TBS complete ist eine schematische Darstellung wiedergegeben.

Da beim TBS im Gegensatz zu anderen Sortiertechniken Deformation, Verstaubung und die Geometrie der Objekte praktisch keine Rolle spielen, ist die Erkennungsqualität hoch. Bei unseren Versuchen mit typisch verschmutzten und deformierten Verpackungen ist die Erkennungsquote deutlich über 95 Prozent. Hierbei können im Gegensatz zur Wassermarken-Technologie auch kleine, flexible und praktisch nicht bedruckte Verpackungen markiert und sortiert werden. Mit TBS können praktisch 100 Prozent der Verpackungen markiert werden.

Ist die Markierung vollflächig am Produkt nötig? In welcher Konzentration wird die Substanz eingesetzt? Beeinflusst sie die Rezyklierbarkeit des Produkts? Kann der Marker auch in eingefärbten Kunststoffen eingesetzt werden?

Moesslein: Ein vollflächiges Markieren ist nicht erforderlich. Eine Fläche von 10 mm x 10 mm reicht pro Verpackung. Unser aktueller Entwicklungsstand zeigt, dass über die Bedruckung beim TBS Complete 10 µg Marker reichen. Dies entspricht Tracerkosten von rund 2 Euro pro Tonne Verpackungskunststoff. Die Tracer werden bei Verpackungen mit der Druckfarbe entfernt und können daher die Rezyklierbarkeit gar nicht beeinflussen.

Die Tracer können auch in eingefärbten Kunststoffen eingesetzt werden. Bei hellen Farben wird weniger, bei dunklen Farben mehr Tracer benötigt. In Kunststoffen können die Tracer beliebig oft für das Sortieren auf Artikel- und dann auch Flake-Ebene eingesetzt werden. Die Tracerkosten müssen daher auf mehrere Zyklen umgelegt werden, sodass auch Tracerkosten im Bereich von wenigen Euro pro Tonne Kunststoff erreicht werden.

Ist es denkbar, einen gemischten PCR-Abfallstrom, der Produkte mit und ohne TBS enthält, in einer Anlage zu sortieren?

Moesslein: Grundsätzlich ja. Eine solche Sortieranlage müsste zum Sortieren der TBS-markierten Produkte eben auch eine TBS-Sortierstufe haben. Denkbar ist, dass man mit NIR erst in die 3 bis 4 Hauptpolymere sortiert und dann diese Ströme weiter durch TBS sortiert und differenziert.

Andererseits bietet die Markierung über Tracer ein komplettes Erkennen der Materialien, sodass an einer Stufe mit einer TBS-Sortiermaschine alles gemessen und sortiert detektiert werden kann, zum Beispiel auch aluminiumhaltige Verpackungen und Kunststoffverpackungen parallel. Dadurch kann die Sortierung effizienter und kostengünstiger werden.

Welches sind die relevanten Partner zum Umsetzen der Technologie?

Lang-Koetz: Im MaReK-Projekt wird das Einbinden und Umsetzen von TBS in der Praxis untersucht. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette des Verpackungslebenszyklus vom Design über die Verfahrensentwicklung für Markerapplikation und Sortierung bis zur Rückgewinnung der Werkstoffe adressiert. Wir haben uns genau angesehen, welche Akteure dafür relevant sind und mit vielen von ihnen persönlich, unter anderem auf zwei großen Stakeholder-Workshops diskutiert. Es gibt durchaus eine Vielzahl relevanter Partner, die für eine erfolgreiche Umsetzung von TBS mit eingebunden werden müssen: In erster Linie sind dies Entsorgungs- und Recyclingunternehmen sowie Inverkehrbringer (Markenhersteller), aber auch politische Akteure. Mit allen diesen Playern stehen wir im Gespräch.

Ändern sich die Sortierkosten des Abfalls verglichen mit den derzeit eingesetzten Technologien?

Moesslein: Mit TBS kann eine wesentlich bessere Sortierung als mit dem derzeitigen Stand der Technik erreicht werden. Bestimmte Fraktionen können überhaupt erst sortiert werden, wie Food versus Nonfood oder Multilayer versus Monolayer. Ferner kann in mehr verschiedene Fraktionen sortiert werden als bisher, mit vermutlich größerer Reinheit. Die Sortierergebnisse sind also nicht vergleichbar. Unser Entwicklungsstand zeigt, dass trotz der besseren Sortierung Sortierkosten vergleichbar mit der derzeitigen Technologie erreichbar sind.

Kann der Tracer auch in biobasierten und Biokunststoffen eingesetzt werden?

Moesslein: Natürlich, hinsichtlich der Auf- und Einbringung sowie der Erkennung der Tracer besteht kein Unterschied zwischen erdölbasierten und biobasierten Kunststoffen.

Kommt das propagierte Design for Recycling der TBS-Sortiertechnologie entgegen?

Lang-Koetz: Durchaus. Durch TBS plus Design for Recycling kann erstmal praktisch jede Verpackung fehlerfreundlich messbar und dadurch erkennbar und sortierbar werden. TBS könnte dem Design for Recycling einen großen Motivationsschub geben.

Die einzige Anforderung von TBS an ein Design for Recycling ist, dass jede Verpackung mindestens eine helle Druckfläche der Größe 10 mm x 10 mm hat.