Papier aus Pflanzenkohle

Pflanzenkohle verfügt über eine Vielzahl von nützlichen Eigenschaften, welche zahlreiche Produkte aus synthetischen oder biologischen Rohstoffen verbessern können und dabei die Nachhaltigkeit ihrer Produktion und Entsorgung optimieren. Während Pflanzenkohle ursprünglich vor allem als Bodenverbesserer zur Herstellung von Terra Preta gedacht war, werden in letzter Zeit immer mehr Produkte aus Pflanzenkohle entwickelt (siehe auch: 55 Anwendungen von Pflanzenkohle). Am Ende ihres Lebenszyklus sollen diese Pflanzenkohle-Produkte zwar letztlich ebenfalls zu Bodenverbesserer werden, zunächst aber werden sie als Baustoff, in der Textilindustrie oder eben bei der Papierherstellung außerhalb der Landwirtschaft genutzt werden.

Zwei der Eigenschaften, die Pflanzenkohle von vielen anderen Materialien abhebt, sind ihre enorme Vielseitigkeit der Anwendung und die Möglichkeit, sie in Kaskaden mehrfach zu nutzen. Wenn Produkte aus Pflanzenkohle am Ende ihres Lebenszyklus dann schließlich in den Boden eingebracht werden, sei es in einem Garten oder einer Mülldeponie, kann die Pflanzenkohle einen langfristigen Nutzen für die Bodenqualität und das Klima bringen.

Solang Pflanzenkohle nicht verbrannt wird, stellen sämtliche Anwendungen, egal ob in der Landwirtschaft oder in der Industrie, zugleich Kohlenstoffsenken dar. Der Kohlenstoff der Pflanzenkohle, egal ob sie im Putz eines Hauses verbaut ist, in Socken verwebt den Fußschweiß aufnimmt oder als Toilettenpapier durch Abwasserkanäle schwimmt, sie bleibt dabei der Atmosphäre entzogen und trägt somit zum Schutz des Klimas bei.

Das jüngstes Projekt des Ithaka-Instituts, die Herstellung von Papier aus einer Mischung von Pflanzenkohle und Papierzellstoff, könnte Pflanzenkohle von einem Nischenprodukt zu einem Alltagsmaterial machen. Ein Material, das in unserem Lebensumfeld allgegenwärtig wird und darüber hinaus massive Mengen an Kohlenstoff an der Rückkehr in die Atmosphäre hindert.

Papierherstellung

Papier und Verpackungsmaterialien enthalten im Allgemeinen eine Mischung von Fasern und Füllstoffen. Das Fasermaterial wirkt als Bindemittel, während Füllstoffe üblicherweise zur Senkung der Produktionskosten hinzugefügt werden. Bestimmte Füllstoffe können auch zur Verbesserung der Bedruckbarkeit, Stabilität, Trocknungsraten und verschiedenen anderen Eigenschaften beitragen.

Der Verwendungszweck des Papierprodukts gibt vor, welche Eigenschaften des Füllmaterials am wichtigsten sind. Aber auch Eigenschaften wie Korngröße, Gestalt, Oberfläche und Farbe sind wichtige Überlegungen. Am Ithaka Institut wurden nunmehr Möglichkeiten untersucht, Pflanzenkohle als Füllstoff für ein nachhaltiges Verpackungsmaterial zu verwenden und so zum Ausgangsmaterial für eine Vielzahl von Alltagsprodukten zu machen.

Der Umsatz mit nachhaltigen Verpackungsmaterialien wird voraussichtlich auf mehr als 244 Milliarden USD im Jahr 2018 anwachsen (Rodden et al. 2012 ). Die öffentliche Nachfrage drängt Hersteller und Einzelhändler zur Einführung von Verpackungssystemen, die die Verwendung nachwachsender Rohstoffe und deren Recycling fördern. Chardboard, wie wir das Kohlepapier auf Englisch getauft haben, würde sich in Bezug auf beide Kriterien gut eignen, weil Pflanzenkohle aus vielfältigen Biomassen ebenso wie aus typischen Abfallprodukten der Zellstoff- und Papierindustrie hergestellt werden kann. Doch Chardboard ist nicht nur sehr nachhaltig, sondern erfüllt vor allem eine Vielzahl neuer funktioneller Eigenschaften.

Funktionelle Eigenschaften von Pflanzenkohle-Papier

Pflanzenkohle könnte zum Beispiel einem Verpackungskarton ähnlich wie Styropor isolierende Eigenschaften für den Transport kalter oder heißer Lebensmittel verleihen. Oder durch Adsorption des natürlichen Alterungshormons Äthylen sowie die Aufnahme von Feuchtigkeit kann die Pflanzenkohle im Papier die Reifung und Alterung von Früchten und Gemüse verzögern, wodurch die Haltbarkeit verlängert wird. Pflanzenkohle-Kartons verhindern die Austrocknung des Inhaltes und können elektronische Bauteile vor elektromagnetischen Feldern schützen. Pflanzenkohle kann synthetische Zuschlagsstoffe, wie sie heute in der Verpackungsindustrie verwendet werden, ersetzen und kommt zudem lange über ihre eigentliche Verwendung hinaus der Umwelt zugute, selbst und gerade, wenn sie weggeworfen wird.

Dabei ist die Verwendung von Pflanzenkohle bei der Papierherstellung gar keine neue Idee. In der traditionellen japanischen Papierherstellung ist Holzkohle schon seit langem als wertvoller Zuschlagstoff bekannt. Ein japanisches Unternehmen hat dies kürzlich aufgegriffen und ein Gewebe namens umezumi erfunden, das aus dem Pulver verkohlter Pflaumenkerne hergestellt wird, desodorierend wirkt und Dampf absorbierende Eigenschaften aufweist.

Die Erfahrungen in Japan zeigen, dass Pflanzenkohle ihre Fähigkeit, Gerüche zu adsorbieren, bei der Papierproduktion beibehält. Die japanischen Pflanzenkohle-Papiere finden unter anderem Verwendung in Schuhsohlen, Schubladen oder Kühlschrankauskleidungen und Matratzenauflagen.

Die Herstellung von Pflanzenkohle-Papieren

Es kann eine Vielzahl von verschiedenen Ausgangsmaterialien verwendet werden, um Pflanzenkohle für die Papierherstellung zu erzeugen. In unserem ersten Test verwendeten wir Pflanzenkohle aus den Hülsen von Kaffeebohnen, die während der Röstung abgeschält werden. Diese Kohle hatte den Vorteil, dass sie relativ einheitlich in der Größe ist und damit nur minimale Vor -oder Nachbereitung erforderte.

Es können freilich auch andere Biomassen zur Herstellung der Kohle verwendet werden. Je nach Ausgangsmaterial muss die Pflanzenkohle zunächst gemahlen und homogenisiert werden, ein wichtiges Kriterium für Füllstoffe in der Papierherstellung.

Der Füllstoffanteil im Papier variiert je nach Art des Papiers und kann in einigen Fällen mehr als 30% (Hower , 2014) erreichen. Unsere ersten Tests wurden mit steigenden Anteilen an Pflanzenkohle durchgeführt, wobei diejenigen mit Anteilen von unter 30% eher die erwünschten Eigenschaften aufwiesen. Ansonsten enthielten unsere ersten Pflanzenkohle-Papiere nur Papierzellstoff und keine anderen Füllstoffe.

Nutzen

Pflanzenkohle hat als Papierfüllstoff das Potenzial, eine Vielzahl verschiedener wertvoller Eigenschaften für so unterschiedliche Branchen wie die Nahrungsmittelproduktion, Gartenbau und Elektronik zu vereinen. Einige der wichtigsten Eigenschaften sind:

Lebensraum für nützliche Mikroorganismen: In immer mehr Gemeinden werden wieder Biotonnen eingeführt, um biologische Abfälle zu kompostieren oder in Biogas zu verwandeln. Dabei kommt es allerdings immer wieder zu erheblichen Geruchsbelastungen und hygienischen Problemen. Wenn Lebensmittel aber in Pflanzenkohle-Behältern entsorgt werden, die mit effektiven Mikroorganismen geimpft wurden, könnten nicht nur die Geruchsprobleme reduziert, sondern auch Nährstoffverluste verhindert werden.

Geringe Wärmeleitfähigkeit: Eine interessante Eigenschaft von chardboard ist dessen geringe Wärmeleitfähigkeit. Pizzakartons oder Kaffeebecher können so den Inhalt länger heiß halten, ohne dass Kunden sich die Hände verbrennen würden. Medikamente könnten länger kalt gehalten werden.

Erweiterung der Haltbarkeit - Bestimmte Früchte und Blumen sind sehr anfällig für vorzeitiges Reifen aufgrund von Äthylen, einem natürlichen Pflanzenhormon, das den Zellabbau fördert. Da Pflanzenkohle Äthylen adsorbieren kann (Abe & Watada , 1991), könnte die Zugabe von Pflanzenkohle in Verpackungen für Obst wie Bananen oder Kiwis dazu beitragen, ihre Lebensdauer zu erhöhen.

Antistatikum – Durch elektrostatische Entladungen (ESD) können elektronische Komponenten während des Transports beschädigt werden. Pflanzenkohle, die bei hohen Temperaturen hergestellt wurde, ist elektrisch leitend. Somit könnte chardboard ebenso statische Aufladungen ableiten, wie zum Schutz der Elektronik vor mechanischen Beschädigungen dienen, wodurch die Notwendigkeit für weitere Verpackungselemente entfällt.

Feuchtigkeitsaufnahme - die poröse Beschaffenheit der Pflanzenkohle ermöglicht die einfache Aufnahme von Feuchtigkeit und Dämpfen, wodurch Produkte länger frisch gehalten werden. In anderen Anwendungen könnte sie helfen, Schimmelbildung zu verhindern.

Cradle to Cradle - Ähnlich wie die vom Ithaka Institut entwickelten Baumaterialien auf Basis von Pflanzenkohle ist auch chardboard am Ende seiner ursprünglichen Verwendung weiterhin nützlich, sofern die Pflanzenkohle über den Kompost dem Boden zugeführt wird. Im Idealfall würde das Kohlepapier im eigenen Garten kompostiert werden, nachdem es zuvor als Müllsack für Küchenabfälle benutzt wurde. Da viele Stadtbewohner nicht über diese Option verfügen, ist es wahrscheinlich, dass ein erheblicher Teil am Ende wohl doch auf der Deponie landen wird. Aber selbst auf einer Deponie wird chardboard einen Nutzen haben, weil es helfen wird, Gerüche, toxische Auswaschungen ins Grundwasser sowie die Emission von Klimagasen zu reduzieren (Reddy, Yargicoglu , Yue & Yaghoubi , 2014).

Nutzen für die Papierindustrie

Die Einbindung von Pflanzenkohle in verschiedene Prozesse der Papierindustrie bietet eine Reihe von Vorteilen, mit deren Erforschung das Ithaka Institut gerade erst begonnen hat. Potenzielle Vorteile, die zu verbesserten Papierprodukten und einer nachhaltigeren Zellstoff- und Papierindustrie führen sind nachfolgend beschrieben.

Sauberere, erneuerbare Energie: Mehr als die Hälfte der Papierfabriken verwenden Biomassekessel für die Deckung des großen Wärmebedarfs bei der Papierherstellung. In den US amerikanischen Papierfabriken werden die meisten Biomassekessel vermutlich bald strengeren Emissionsstandards unterworfen. In der Folge werden viele alternde Kessel auszutauschen sein und könnten durch Pyrolyseanlagen ersetzen werden, so dass Pflanzenkohle, Wärme und Strom aus Papierschlamm direkt vor Ort produziert werden könnten.

Verbesserte Wasseraufbereitung: Aktivierte Pflanzenkohle wird zunehmend im Umfeld der Wasserfiltrierung verwendet, da sich durch ihre starke Adsorptionsfähigkeit Schadstoffbelastungen von Abwässern reduzieren lassen. Abwässer aus der Papierindustrie sind seit langem als Ursache für die Verunreinigung vieler Gewässern bekannt. Pflanzenkohle könnte zunächst als Abwasserfilter und nach erfolgter Nachbehandlung dann als Papierfüllstoff verwendet werden.

Reduzierte Kosten: Durch die Modernisierung der aktuellen Biomassekessel auf moderne Kraft-Wärme gekoppelten Pyrolyseanlagen könnten Papierfabriken einen Teil ihrer Rohstoffe und Energie direkt aus den eigenen Abfallprodukten gewinnen. So würden nicht zuletzt die erheblichen Deponiekosten für Papierfaserschlamm und Kesselasche-Rückstände wegfallen.

Verbesserter Kohlenstoffbilanz: Für Papierfabriken, die ihre Biomasse-Abfälle in Wärme, Strom und Pflanzenkohle umwandeln, ergäbe sich eine verbesserte Klimabilanz durch den entfallenden Transport der Biomassen, Faserschlämme und Aschen, die sauberere Verbrennung und den Wegfall der Herstellung nicht-faserbezogener Zuschlagsstoffe ergeben.

Herausforderungen

Wie in anderen Bereichen der Pflanzenkohle-Technologie sind die Investitionskosten oft die größte Hürde für die Einführung der neuen Technologie. Insofern Pflanzenkohle jedoch mehrere positive Nebeneffekte zur Schließung von Stoffkreisläufen aufweist, lassen sich für verschiedene Branchen profitable Szenarien vorstellen. Überall, wo erhebliche Mengen an Abfällen aus Biomasse erzeugt werden und zugleich großer Bedarf an Prozesswärme und an hochwertigen Verpackungsmaterialien besteht (z.B. Kaffeeröster oder Gemüse und Obstverarbeiter), könnten Pflanzenkohle aus den vorhandenen Reststoffen hergestellt und den lokalen Papierfabriken geliefert werden.

Pflanzenkohle aus Kaffeesatz, die sich in Manschetten für Kaffeebecher verwandeln oder Pflanzenkohle aus Bananenstauden, die für die Herstellung von Bananenkartons verwendet wird, sind zwei Beispiele für solche Modelle geschlossener Stoffkreisläufe.

Auch Wirtschaftsentwicklungsprojekte im ländlichen Raum könnten einen Fokus auf die Umwandlung landwirtschaftlicher Abfälle wie z.B. Ernterückstände von Ananas oder Kokosnüssen in Verpackungen auf Pflanzenkohlebasis legen. Diese könnten dann zum Versand der Produkte verwendet werden und würden gleichzeitig die lokale Wirtschaft ankurbeln und kämen der Umwelt zugute.

Um Pflanzenkohle-Papiere nachhaltig kompostieren und zu Bodenhilfsstoffen aufarbeiten zu können, muss sicher gestellt werden, dass auch alle sämtlichen anderen Papierzuschlagsstoffe und insbesondere die Druckfarben alle Anforderungen an den Bodenschutz erfüllen. Sicher braucht es auch dafür zeitnah ein Zertifizierungssystem.

Anwendungsfelder

Die Anzahl möglicher Anwendungen für Pflanzenkohle-Papier scheint beinah grenzenlos. Bereits unsere ursprüngliche Liste enthielt mehr als 55 Anwendungen. In Anlehnung an die inzwischen berühmten 55 Anwendungen von Pflanzenkohle sind wir jedoch bei dieser für die vielfältigen Anwendungen von Pflanzenkohle so symbolischen Zahl geblieben.

Lebensmittel- und Getränkeverpackungen

1. Kaffeebecher, 2. Pizzakartons, 3. Bananenkisten, 4. Kaffeefilter, 5. Lebensmittelbehälter, 6. Eierkartons, 9. Obsttüten, 10. Servietten, 11. Platzdeckchen, 12. Take-Away Behälter, 13. Sandwich - Einschlagpapier, 14. Einwegteller.

Wie wäre es, den Abfall einer landwirtschaftlichen Ernte in Verpackungen für dieselbe Kulturpflanze zu verwandeln? Einige unserer ersten Produkte werden sich auf Artikel mit einem Bezug zu Kaffee konzentrieren, da die Pflanzenkohle dafür aus Kaffeereststoffen hergestellt wurde.

Hof und Garten

15. Anzuchttöpfe, 16. Samenband, 17 Mulchband, 18. Keimungsschutz , 19. Laubstreu Beutel, 20. Pflanzenverpackung , 21. Unkrautvlies.

Wird die Pflanzenkohle aus dem Papier wieder in den Boden gegeben, trägt sie dazu bei, den Kreislauf von Produkten sinnvoll zu schließen.

Zuhause

22. Buchhüllen, 23. Kleiderkartons, 24. Tapeten, 25. Möbel, 26. Bettunterlagen, 27. Passepartouts, 28. Wandverkleidungen , 29. Kleiderbügel , 30. Kompostbeutel für Küchenabfälle.

Medizinische Anwendungen

31. Biologisch abbaubare Bettpfannen, Urinale, Nierenschalen, 32. Chirurgische Kleidung (Masken und Hauben), 33. Umhänge und Hausschuhe für Patienten, 34. Papierunterlagen für den Untersuchungstisch, 35. Verbandszeug, Umschläge.

Büro- und Versandartikel

36. Beutel, 37. Kästen, 38. Stellwände, 39. Ordner, 40. Notebook Cover, 41. Umschläge, 42. Kantenschutz , 43. Papptonnen, 44 Versandröhren.

Private Nutzung

45. Windeln , 46 WC-Auflagen , 47. Damenbinden , 48. Biologisch abbaubare Urnen, 49. Geschenkpapier.

Haustiere

50. Kleintiersarg, 51. Hundekotbeutel, 52. Katzenstreu, 53.Wickelunterlage.

Andere Anwendungen

54. Auto- Isolierung, 55. Dichtungen

Nächste Schritte

Derzeit testen wir verschiedene Ausgangsstoffe und Prozessparameter für die Herstellung von Pflanzenkohlen mit optimalen Eigenschaften für verschiedene Papierprodukte. Wir suchen Kontakt zur Papierindustrie und hoffen, möglichst bald die ersten Serienprodukte aus Pflanzenkohle-Papier verkünden zu können.

Literaturangaben