Materialversorgung in der Mehrschichtfolien-Produktion

Präzision in sieben Schichten

60 Prozent Recyclingmaterial in der Barrierefolie. Rund 2,5 Milliarden Tassen Kaffee werden laut verschiedener Schätzungen weltweit täglich getrunken. Einen großen und noch wachsenden Anteil bereiten Kaffeeautomaten aus Kaffeepulver-Portionskapseln zu.

Kapseln aus einer 7-Schicht-Verbundfolie lagern den Kaffee langfristig aromasicher. Die Barriereeigenschaften werden trotz hohen Recyclatanteils prozesssicher erreicht. (Bild: Greiner Packaging)

Sie bestehen wegen der notwendigen Sauerstoffbarriere zur Vermeidung der Kaffee-Alterung durch Oxidation aus Aluminium oder einer Kunststoff-Verbundfolie mit integrierter Sauerstoff-Barriere. Seit 2015 produziert die österreichische Greiner Packaging solche Kunststoffkapseln. Dafür hat das Unternehmen gemeinsam mit Peripheriegeräte-Hersteller Motan und deren österreichischem Partner Luger ein nachhaltiges Produktionskonzept entwickelt, in dem der nach dem Ausstanzen der tiefgezogenen Kapselkörper verbleibende Stanzabfall vollständig – unter Beibehaltung aller Qualitätslimits – in die 7-Schicht-Extrusionslinie rückgeführt wird. 

Kaffee ist ein Naturprodukt, er unterliegt einem oxidativen Alterungsprozess, besonders wenn er Luft und Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Vor allem die bei der Kaffeeröstung freigesetzten Aromastoffe und die ungesättigten Fettsäuren im Kaffeebohnenöl oxidieren sehr schnell. Bemerkbar macht sich das durch Geschmacks- und Geruchsänderungen. Der Kaffee wird sauer und ranzig. Dies betrifft ganze, geröstete Bohnen ebenso wie gemahlenen Kaffee und geht sehr schnell vor sich. Frisch gemahlener Kaffee verliert nach nur 15 Minuten bis zu 60 Prozent seines Aromas. Der einzige Weg, dies zu verhindern, ist, die Oxidationsreaktion so schnell und so vollständig wie möglich anzuhalten, und zwar durch Verpackung in luft- und wasserdichte Behälter – beispielsweise Kaffeekapseln. 

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Material der Wahl: Barriere-Kunststoff
Während eine Aluminiumfolie eine gute Barriere gegen fast alle Außeneinflüsse ist, gibt es nur wenige Kunststoffe, die gas- und aromadicht sind. Die besten Barriere-Eigenschaften bieten EVOH, Ethylen-Vinylalkohol-Copolymere, und zwar gegen Sauerstoff und Wasserdampf. Das Material ist etwa so gasdicht, wie eine 10.000-fach dicke LDPE-Schicht. Da EVOH vergleichsweise teuer ist, wird es zentral als dünne Sperrschicht innerhalb einer Verbundfolie zusammen mit anderen Kunststoffen eingesetzt. Greiner Packaging in Kremsmünster nutzt eine 7-Schicht-Verbundfolie zur Herstellung der Kaffeekapseln.

Die aus der Extrusionsanlage kommende 7-Schicht-Barrierefolie läuft direkt in eine Multikavitäten-Tiefzieh- und Stanzanlage. Das zurückbleibende Stanzgitter und Schlechtteile werden direkt anschließend einer Schneidmühle zugeleitet (im Hintergrund am Maschinenende) und von dort in die Produktion zurückgeführt. (Bild: Autor)

Da die Becher der Kaffeekapseln durch Tiefziehen und Stanzen aus der Verbundfolie hergestellt werden, bleibt mehr als 50 Prozent der Folie als Stanzgitter zurück. Diese Abfallmenge ist angesichts der projektierten Massenproduktion weder logistisch, noch wirtschaftlich zu entsorgen. Greiner Packaging entwickelte zusammen mit den langjährigen Anlagenpartnern Motan und der österreichischen Luger als Projektplaner und Anlagenmonteur sowie dem Extrusionstechnik-Lieferanten ein Konzept zur vollständigen Rückführung des Stanzabfalls innerhalb der laufenden Produktion. Dafür musste die zu produzierende Mehrschichtfolie so angepasst werden, dass sie bis zu 60 Prozent aus dem Mahlgut der Ausgangsfolie bestehen kann. Die Stanzgitter und Ausschussteile werden direkt an der Tiefziehmaschine ausgeschleust und einer Mühle zugeführt.

Das Mahlgut geht entweder in einen Speichersilo oder in Big Bags und wird von dort zur Extrusionsanlage geleitet, wo daraus ein Mischpolymerisat hergestellt wird, aus dem die zwei Hauptschichten der Verbundfolie bestehen. Dem entsprechend entfallen inklusive der Zudosierung von Neumaterial 70 Prozent des gesamten Materialdurchsatzes der projektierten Förder- und Dosieranlage auf den Recyclingkreislauf. Die verbleibenden 30 Prozent teilen sich auf die vergleichsweise kleinen Materialdurchsätze der zusätzlichen vier Extruder auf. Diese vier Extruder sind in zwei Ebenen um den zentralen „Mahlgut-Extruder“ angeordnet, der sich auf der Basisebene befindet. Flankiert wird er von den Extrudern für die zentrale Barriereschicht und die Haftvermittler-Schichten. Im „ersten

Die 7-Schicht-Folienanlage ist in drei Funktionsebenen übereinander aufgebaut. Auf der untersten Ebene (hier nicht sichtbar) befinden sich drei Extruder, auf Ebene arbeiten zwei Extruder für die Deckschichten, auf der obersten Ebene die Dosiergeräte zur Versorgung der darunter befindlichen Extruder. (Foto: Autor)

Stock“ befinden sich die Extruder für die beiden Deckschichten. Im zweiten Stock darüber befinden sich die Materialabscheider für die darunter befindlichen Extruder. Im Vergleich zur komplexen Dosier- und Mischtechnik konnte das Rohrleitungssystem einfach und direkt ausgelegt werden, mit einer Fix-Verrohrung zu jedem Materialabscheider. Es gibt keine Kupplungsstation und auch keine zwischengeschaltete Materialtrocknung.

Stabile Zusammensetzung trotz 5-Material Mahlgut
Der weitaus größte Anteil des Materialdurchsatzes entfällt auf die Mahlgutschichten, die wegen der möglichen Schwankungen beim Schüttgewicht über gravimetrische Dosiergeräte und ein nachfolgendes Mischsystem versorgt werden. Dazu Helmut Reckziegel, Leiter der Business Unit Capsules bei Greiner: „In diesem Zusammenhang ist erwähnenswert, dass das als Füllmaterial in die Mehrschichtfolie rückgeführte Mahlgut aus der 7-Schicht-Folie besteht, und sich damit aus den fünf, darin enthaltenen, unterschiedlich viskosen Materialien zusammensetzt. Diese 5-Material-Mischung in einen stabilen Mischungs- und Fließzustand zu bekommen, war unser gemeinsames Ziel. Denn eine instabile Materialzusammensetzung, sei es durch schwankendes Schüttgewicht oder eine Materialanteil-Veränderung führt zu Qualitätsminderungen beim Extrudat, besonders wenn sieben Schichten miteinander harmonieren müssen. Da wir diesbezüglich eine Regelungsmöglichkeit einbauen wollten, haben wir die Zumischung von PP-Neuware zum Mahlgut vorgesehen. Damit kann die, durch das Rückführen des Stanzgitters ausgelöste, kontinuierliche Anreicherung der Konzentrationen des EVOH-Anteils und des Haftvermittlers in der Gesamtfolie bei 14 oder bei 12 Prozent stabilisiert werden, und damit zusammenhängend auch die Schmelzeviskosität.“

Zentrale Mischstation zur Versorgung des „Mahlgut-Extruders“. In ihr treffen vier Materialkomponenten (Mahlgut aus dem Silo oder aus dem Big-Bag und Stabilisator für den Haftvermittler und PP-Neumaterial) zusammen, die aus den gravimetrischen Dosiergeräten in der dritten Ebene zudosiert werden. (Foto: M. Droege)

Noch ein Konzeptdetail ist erwähnenswert: Durch die kürzest mögliche Rückführung des Mahlguts kühlt das Mahlgut nicht vollständig aus. Ein Großteil der darin enthaltenen Wärmeenergie kann so für ein schnelleres Aufschmelzen im Extruder verwendet werden, was angesichts eines Materialdurchsatzes am „Mahlgut-Extruder“ von rund 500 kg/h zu einer deutlichen Verbesserung der Energiebilanz führt.

Alle anderen Materialanteile werden als Neuware in konstanter Qualität volumetrisch zudosiert. Dabei liegen die Durchsatzmengen für das Barrierematerial und den Haftvermittler bei maximal 60 kg/h. Etwas darüber, bei rund 110 kg/h liegt der Durchsatz bei den PP-Deckschichten, die zusätzlich mit weißem oder braunem Farb-Masterbatch versetzt werden.

Produktionsleitrechner für transparente Bedienung
Alle Anlagenkomponenten werden über die von Motan entwickelten, fernsteuerbaren Module Gravinet für gravimetrische Dosiergeräte und Volunet für volumetrische Dosiergeräte angesteuert. Sie sind über ein Ethernet zu einem Controlnet zur zentralen Anlagensteuerung verbunden. Diese kann bis zum Linknet, einem umfassenden Anlagen-Managementsystem, ausgebaut werden. So ist es mit Linknet 2.0 möglich, die Prozessabläufe und Anwendungsdaten zu erfassen, zu protokollieren und alle angeschlossenen Steuerungen bis zur Geräteebene zu bedienen. Alle kommunikationsfähigen Motan-Steuerungen können angebunden werden. Die Chargenrückverfolgung ist damit durchgängig möglich.

Erfolg durch langjährig bewährte Partnerschaft
„Angesichts des Einstiegs in eine neue Größenordnung der Massenproduktion war uns wichtig, das technische Risiko überschaubar zu halten“, erläutert Helmut Reckziegel einen wichtigen Grundgedanken des Projektablaufs. „Schon nach kurzer Anlaufphase hatten wir eine stabile Produktion. Nicht zuletzt deshalb haben wir für die Weiterführung von langjährig bewährten Partnerschaften entschieden. Dass die Motan-Komponenten die von uns angestrebte Gesamtsystem-Verfügbarkeit von über 90 Prozent im 7/24/365-Betrieb nicht in Frage stellen würden, war uns aus ähnlichen Anlagenprojekten mit Luger und Motan aus der Vergangenheit bekannt. Ebenso gingen wir davon aus, dass auch die notwendige Dosiergenauigkeit und die volle Einbindung aller Einstell- und Leistungsdaten in unser ,Big-Data-Konzept‘ zur Qualitätsdatenerfassung gegeben sein würden.“

Fakuma 2017, Halle B1, Stand 1111


Mehrschicht-Folie für Kaffee-Portionskapseln
Aus Folien gefertigte Kaffee-Portionskapseln müssen eine Barriere gegen das Eindringen von Wasserdampf, Luftsauerstoff und anderen unerwünschten Substanzen, sowie gegen die Einflüsse der UV-Strahlung bilden. Die Barriere muss auch gegen das Austreten von Inhaltsstoffen, wie Aromen und Feuchtigkeit wirken. Gleichzeitig müssen die Folienbecher Schutz gegen definierte mechanische Beanspruchungen während des Transports und der Lagerung bieten. Für die Kaffeekapseln wird eine 7-Schicht-Verbundfolie verwendet. Deren zentrale Schicht besteht aus EVOH (Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer). Sie bildet die Sauerstoff-Barriere und ist beidseits über Haftvermittlerschichten in Schichten aus Recyclingmaterial (Stanzabfall) eingebettet. Als Deckschichten werden eingefärbte Polypropylen-Lagen (Homo-Polymer und Co-Polymer) aufgebracht.

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