Biobased materialen

Biobased materialen

De term ‘biobased’ zegt enkel iets over de oorsprong van het materiaal en niets over de end-of-life. Met ‘biobased’ worden materialen bedoeld die gemaakt zijn van hernieuwbare grondstoffen zoals zetmeel, suiker, cellulose, melkzuur, eiwitten of via micro-organismen. Nu meestal nog afkomstig uit mais, biet, suikerriet, hout, aardappel, tapiocawortel of bijv. castornoten, maar in de toekomst vooral ook van restmaterialen en afvalstromen: biowaste materialen. Met de term ‘hernieuwbaar’ wordt over het algemeen een termijn binnen 10 jaar bedoeld. Een aantal biobased plastics zijn zowel recyclebaar als biodegradable en hebben daardoor meerdere mogelijkheden als ‘end-of-life.

Onder biobased verpakkingsmaterialen vallen materialen als papier, karton en hout en daarnaast een aantal biobased kunststoffen. We zullen ons hierbij concentreren op deze laatste groep omdat hierin de meeste ontwikkelingen en innovaties in plaatsvinden.

Bioplastics

Bioplastics verschillen van conventionele plastics doordat de grondstof van bioplastics van biobased (of biowaste) materiaal gemaakt is óf dat het materiaal biodegradable is óf beide.

N.b. Biobased Packaging.NL richt zich enkel op biobased en biowaste plastics.

Bioplastics worden onderverdeeld in drie groepen

1. biobased plastics die recyclebaar zijn maar óók de eigenschap hebben dat ze biodegradable kunnen zijn (o.a. PLA, PHA, bio-PBS, zetmeel- of cellulose gebaseerde plastics);
2. biobased plastics die wel recyclebaar maar níet biodegradable zijn (o.a. bio-PE, bio-PP. bio-PET);
3. plastics die fossil based zijn (dus op olie gebaseerd) maar wél composteerbaar zijn (o.a. PBAT, PCL).

Het verschil tussen bioplastics en biobased plastics is dus dat onder bioplastics een extra groep valt: de op olie gebaseerde kunststoffen die wel volledig composteerbaar zijn (mits EN 13432 gecertificeerd).

Waar zijn bioplastics al te vinden?

Bioplastics worden gebruikt in een toenemend aantal markten – van verpakking, catering, consumenten elektronica, automotive, landbouw/tuinbouw en speelgoed tot textiel en andere segmenten. Hierbij worden bioplastics zowel toegepast in producten die bestemd zijn voor kortstondig gebruik als voor duurzame toepassingen, zoals hoesjes voor mobiele telefoons of interieuronderdelen voor auto’s.

Waarom gebruik maken van bioplastics in plaats van plastic?

Er zijn twee voordelen van biobased plastic producten in vergelijking met hun conventionele versies: er wordt bespaard op fossiele grondstoffen door gebruik te maken van hernieuwbare biomassa én het materiaal heeft de unieke eigenschap om CO2 te neutraliseren. Composteerbaarheid is daarbij een extra eigenschap van bepaalde soorten bioplastics. Deze eigenschap kan toegevoegde waarde geven aan de einde van de levensduur van een product.

We hebben veel geleerd van de huidige kunststof industrie maar nu is het tijd om de opgedane kennis in te zetten voor het innoveren en evolueren van de huidige conventionele plastics richting bioplastics.

Compostering van bioplastics

Met de term ‘composteerbaar’ wordt gerefereerd naar die materialen/producten die voldoen aan de Europese norm voor industriële compostering: EN 13432 of EN 14995 en die zonder toevoeging van kunstmatige additieven uiteenvallen in water, kooldioxide en biomassa.

Het proces van biologische afbraak is altijd afhankelijk van omgevingsfactoren (bijv. plaats of temperatuur), het materiaal zelf en van de toepassing. Het is overigens belangrijk om op te merken dat de eigenschap ‘composteerbaarheid’ niet afhankelijk is van de herkomst van het materiaal maar van de chemische structuur. Compost wordt gebruikt als bodemverbeteraar en vervangt ook deels minerale meststoffen. Meer info.

Recycling van bioplastics

Nu worden in Nederland bioplastics nog niet allemaal gerecycled, alleen de drop-ins Bio-PE en Bio-PET. In het buitenland is het echter al wel mogelijk om ook andere bioplastics zoals PLA te recyclen (o.a. via de loopla-techniek). Indien er voldoende massa van bioplastics in de kunststofsorteerstromen terechtkomen (via plastic inzameling), kunnen de diverse bioplastics ook naar behoren gesorteerd, gerecycled en/of gecomposteerd worden. Meer info.

Materiaaloverzicht bioplastics

Het onderstaande overzicht geeft een indruk van de huidige familie van bioplastics. Het overzicht is ingedeeld in:

1. biobased plastics – wel composteerbaar
2. biobased plastics – niet composteerbaar
3. niet biobased plastics – wel composteerbaar

De eigenschappen van bioplastics zijn de laatste jaren aanzienlijk verbeterd en kunnen de concurrentie met conventionele plastics op basis van flexibiliteit, bedrukbaarheid, transparantie, barrières, hitte-bestendigheid, glans etc. uitstekend aan.

1. Biobased plastics (of deels biobased) en composteerbaar

Bio-PBS (PolyButylene Succinate)
Bio-PBS is biobased en composteerbaar en wordt gemaakt van bio-barnsteenzuur die men in de toekomst steeds meer uit hernieuwbare bronnen zal winnen. Nu wordt Bio-PBS vooral nog gebruikt in een natuurlijke vezelcomposiet voor auto-interieurs. Meerdere samenwerkingsverbanden zijn opgericht om een volledig geïntegreerde supply chain voor bio-PBS te creëren. Het uiteindelijke doel is om een 100% biobased plastic te ontwikkelen dat gebruikt kan worden in massa-productie voor niet alleen auto-interieur onderdelen (zoals deurpanelen, sierstrips e.d.) maar ook verpakkingsmaterialen voor etenswaren als kaas, vlees e.d. De eigenschappen van dit materiaal zijn complementair aan andere biogebaseerde polymeren zoals polylactic acid (PLA). In vergelijking met PLA liggen de eigenschappen van PBS echter dichter bij die van polyethyleen (PE, m.n. LDPE) of polypropyleen (PP), die nu nog veelvuldig gebruikt worden als verpakkingsmateriaal.

De verwerkings­eigenschappen zullen vergelijkbaar zijn met die van PP en de barrière-eigenschappen zoals PET.

Cellulose gebaseerde bioplastics
De cellulose die op dit moment voor het maken van composteerbare bioplastics gebruikt wordt, is nu nog met name afkomstig uit houtpulp. Bekende voorbeelden van cellulose-bioplastic zijn o.a. cellofaan (folie), viscose (vezels) en cellulose acetaat (disposables).

In verpakkingsmateriaal wordt cellofaan veel toegepast. Het is bijvoorbeeld bekend van snoeppapier en van bloemenfolies. Cellofaan is helder transparant en kan in tegenstelling tot veel andere folies gevouwen worden (dead-fold). Cellofaan is niet thermoplastisch (via smelten) verwerkbaar en om het materiaal sealbaar te maken wordt een aparte seal laag opgebracht. Het is goed composteerbaar en door een goede keuze in additionele seallagen en barrière lagen is er een scala aan cellulose gebaseerde folies op de markt voor een breed toepassingsgebied. Zo wordt cellofaan veelvuldig gecombineerd met zetmeelgebaseerde seallagen maar ook met een seallaag van (amorf) PLA voor het maken van hoog transparante sealbare folies. Dit type folie blijft uitstekend composteerbaar wanneer als barrière materiaal een dunne laag aluminium oxide wordt gebruikt (composteerders zien minder dan 1% alu coating als grondverrijking).

Een ander cellulose gebaseerd materiaal is cellulose acetaat. Vanwege de uitstekende eigenschappen bij hoge temperaturen is cellulose acetaat geschikt voor disposables zoals bekers voor hete dranken en bestek. Cellulose bioplastics kunnen daarnaast ook geschikt zijn voor medische instrumenten die gesteriliseerd moeten worden. Productiemogelijkheden hiervoor zijn o.a. spuitgieten, sheetextrusie, thermovormen.

PHA (PolyHydroxyAlkanoaat)
PHA is een composteerbaar bioplastic gemaakt door micro-organismen uit vele soorten grondstoffen: suikers, zetmeel, vetzuren en afvalstromen (biogas, CO₂, afvalwater, papierafvalstromen, bakolie) . Belangrijk voordeel van PHA’s is dat bacteriën ze kunnen afbreken in elke omgeving (compostbak, bodem én zee, met of zonder zuurstof en onder water). De eigenschappen zijn vergelijkbaar met PP en PE en styreenpolymeren, maar dan composteerbaar. De materialen zijn transculent en sommige typen hebben een redelijke taaiheid. De kwaliteit is nu voor voedselverpakkingen nog niet gecertificeerd in Europa (verwachting 2016) en de kostprijs nog hoog maar het materiaal zou straks goed geschikt moeten zijn voor verschillende verpakkingsmaterialen, o.a. folie, film, spuitgieten en extruderen. Daarnaast ook voor schuim, composieten en vezels. Het materiaal wordt al wel toegepast in vezels voor medische doeleinden (gecertificeerd).

PLA (PolyLactic Acid, polylactide of polymelkzuur)
PLA is een 100% biobased kunststof die tevens voldoet aan EN13432 voor composteerbare producten. PLA is transparant en goedgekeurd voor voedselcontact toepassingen en daarmee zeer geschikt voor verpakkingen. Het materiaal wordt toegepast in (transparante) gethermovormde schaaltjes en folies, met name voor verse biologische producten zoals paprika’s en aardbeien. PLA is vanwege het ademende karakter zeer geschikt voor de verpakking van gesneden sla (folie) en ook brood (vensters in broodzakken). Omdat PLA een relatief hoge waterdoorlaatbaarheid heeft, wordt het beperkt toegepast in flessen. PLA-vezels worden toegepast in non-wovens voor o.a. theezakjes. Ook wordt PLA regelmatig gecombineerd met papier, zoals coating voor composteerbare papieren bekertjes en bordjes. Een nieuwe ontwikkeling is een plastic koffiebekertje voor koffieautomaten op basis van hittestabiel PLA. Biofoam is een nieuw PLA-gebaseerd schuimmateriaal en is geschikt als vervanging van EPS (piepschuim) verpakkingen. Het milieuvoordeel van PLA is uitgebreid bestudeerd en gepubliceerd in zogenaamde peer reviewed vakbladen. Uit deze gegevens blijkt dat tijdens de productie van PLA 60% minder CO₂ wordt uitgestoten en 50% minder fossiele grondstoffen worden gebruikt dan tijdens de productie van conventionele plastics zoals PET en PS (NatureWorks LCA, 2014). Om een definitieve uitspraak te doen over de milieuwinst moeten LCA’s op productniveau worden uitgevoerd (dus op een complete verpakking). Ook moeten daarbij andere milieu-impactcategoriën worden meegenomen. De bekendste PLA-producenten zijn NatureWorks LCC (Ingeo) en Corbion (focus op hoogwaardige toepassingen). Het bedrijf Bio4Pack verwerkt PLA in films en laminaten.

Zetmeel blends
Zetmeelgebaseerde plastics zijn volledig composteerbaar indien gecertificeerd. Meestal zijn het complexe blends van zetmeel, nu nog met name uit maïs, gecombineerd met andere composteerbare plastics (o.a. PLA, PCL of PBAT), compatibilisers en weekmakers. Ook bestaan de zetmeelblends nu vaak nog deels uit olie, al kan dat ook een biobased olie zijn, bijvoorbeeld gemaakt van distels. Heel bekend zijn de composteerbare tassen en afvalzakken maar er zijn nu ook disposables zoals borden, bekers, bestek, schalen, single-portie containers, rietjes en bio-gecoat papier op de markt.

Zetmeelblends worden verder veel gebruikt in loose fill materialen (schuimen), folies en geschuimde trays. Gemodificeerde zetmeelplastic (hydroxypropyl zetmeel) kan ook verwerkt worden tot bakjes, schaaltjes en trays via standaard thermoform processen. Niet alle zetmeelblends zijn overigens geschikt voor voedselcontact toepassingen.

Er is ook een biogebaseerde en recycleerbare hoge barrière film voor verpakkingen op basis van zetmeel mogelijk. De film kan en wordt reeds gebruikt voor het verpakken van vers vlees, gevogelte, vis, pasta en kazen. Deze film is een combinatie van biodegradeerbare zetmeelfilm en PET en bestaat voor 60% uit hernieuwbare materialen. Door de gunstige OTR-waarden (zuurstofdoorlatendheid) kan de film zelfs concurreren met EVOH (gasbarriere). Verder hebben bewaartesten uitgewezen dat de houdbaarheid van gehakt met 15% en die van kip met 20% verlengd kon worden en er minder bruinverkleuring optrad in rood vlees.

Een verpakking van dit materiaal kan volledig gerecycleerd worden doordat de zetmeelgebaseerde laag geheel loskomt en afbreekt tijdens het recyclycleproces. Het PET dat overblijft kan dan op de gebruikelijke wijze gerecycled worden.

2. Biobased plastics (of deels biobased) maar niet composteerbaar 

Bio-PE (Bio-PolyEthyleen)
Bio-PE heeft een biobased gehalte van 100% en wordt gemaakt van suikerriet uit met name Brazilië. Het materiaal is volledig recyclebaar maar niet composteerbaar. Bio-PE is een zogenoemde ‘drop-in’ wat betekent dat het materiaal via dezelfde productie- en verwerkingstechnieken verwerkt kan worden als regulier PE. Het materiaal is geschikt voor vele uiteenlopende producten en productietechnieken en wordt op dit moment toegepast in o.a. zuivelverpakkingen, verpakkingen van cosmetica, wasmiddelen, diervoerverpakkingen, diepvriesverpakkingen, tassen e.d. Daarnaast ook in diverse huishoudelijke artikelen, afvalcontainers etc.

De bekendste producent is Braskem met het materiaal Green PE.

Bio-PET (Bio-PolyEthyleenTereftalaat)
Bio-PET is niet composteerbaar maar wel volledig recyclebaar samen met conventioneel PET. De Bio-PET die momenteel op de markt verkrijgbaar is, heeft een biobased gehalte van maximaal ca. 30% en wordt met name gebruikt in flesvorm (bijv. de ‘plant bottle’ van Coca Cola en ketchup van Heinz). Bio-PET is ca. 30% biobased omdat slechts één van de bouwstenen van bio-PET, ethyleenglycol, van hernieuwbare herkomst is (in dit geval van suikerriet). Bio-PET is een ‘drop-in’ en kan verwerkt en gerecycled worden via de bestaande PET-verwerkingsprocessen.

PEF (PolyEthyleenFuranoaat)
PEF wordt vanaf 2017 op de markt verwacht. Voor de eerste pilot wordt gebruik gemaakt van glucose uit maïs of biet maar daarna op basis van glucose uit cellulose (uit restafval van de papier/karton industrie). Het materiaal is straks 100% biobased en recyclebaar maar niet composteerbaar. PEF zal een 3 à 4x betere koolzuurgas barrière hebben en een zuurstof barrière die tot 10x beter is dan het huidige PET. Het materiaal kan als single-layer ingezet worden, heeft een lager smeltpunt dan PET, er is mee te thermovormen, injection blowmoulding en er treedt door de hoge dichtheid van het materiaal minder contaminatie op dan bij PET. Naast de mogelijkheid voor rigide verpakkingen zal PEF ook als film geproduceerd gaan worden en kan dan o.a. als biobased vervanging dienen voor OPP (met betere eigenschappen) voor het verpakken van o.a. chips, koekjes e.d.

Bio-PA (Bio-PolyAmide)
Bio-PA is wel (deels) biobased maar niet composteerbaar en niet recyclebaar. Bio-PA wordt deels gemaakt uit sebacinezuur dat uit ricinusolie wordt gewonnen. Het materiaal is zeer vormstabiel omdat het bijna geen water opneemt. Het heeft een hoge temperatuur bestendigheid (smeltpunt van ca. 250 °C), hoge kristallisatiesnelheid, dimensionale stabiliteit, stijfheid en een uitstekende weerstand tegen oliën, vetten en zouten. Daarnaast heeft het materiaal een relatief lage dichtheid. Bio-PA is over het algemeen prima verwerkbaar via de bestaande lijnen voor conventionele plastics. Met name geschikt voor industriële toepassingen zoals tandwielen, looprollen, pomp- en machineonderdelen e.d.

Bio-PTT (Bio-PolyTrimethyleenTereftalaat)
Deels biobased, niet composteerbaar en niet recyclebaar. Bio-PTT wordt geproduceerd uit biobased 1,3-propaandiol (PDO) en petrochemisch tereftaalzuur. Bio-PTT kan worden toegepast in kleding zoals sportkleding en lingerie, maar ook in vloerbedekking en auto’s.

3. Niet biobased plastics, wel composteerbaar 

PBAT (PolyButyleenAdipaatTereftalaat)
PBAT is niet biobased maar wel composteerbaar. PBAT wordt over het algemeen verkocht als een composteerbaar alternatief voor lage dichtheid polyetheen (LDPE) en heeft veel dezelfde eigenschappen zoals buigzaamheid en veerkracht, waardoor het kan worden gebruikt voor toepassingen zoals plastic tassen.

PCL (Polycaprolactone)
PCL is niet biobased maar wel composteerbaar. PCL wordt ook wel gebruikt als PVC-weekmaker of voor polyurethaantoepassingen. Maar er zijn ook enkele toepassingen te vinden op het gebied van zachte composteerbare verpakkingen. Het materiaal heeft een laag smeltpunt (65°C), wat een handicap in sommige toepassingen kan zijn. PCL wordt over het algemeen gemengd of gemodificeerd, o.a. met zetmeel. Door te mengen met zetmeel kan de afbraaksnelheid ook nog aanzienlijk versneld worden.

N.b. de gebruikte informatie is deels overgenomen uit de Catalogus Biobased Verpakkingen, geschreven door de Wageningen Universiteit. Ook is er meer info te vinden over bioplastics op www.groenegrondstoffen.nl.

Om op eenvoudigere wijze een keuze te kunnen maken, kunt u ook gebruik maken van de Keuzetooltest van de Hogeschool van Amsterdam. Deze is hier te vinden.