Stärkere Papiertüten, die mehrfach wiederverwendet und dann zur Herstellung von Biokraftstoff recycelt werden, könnten die Zukunft sein

25.04.2023 - USA

Während die Welt nach Möglichkeiten sucht, die Verwendung von Kunststoffen wie Einweg-Plastiktüten zu reduzieren, zeigt eine neue Studie von Forschern der Penn State University ein Verfahren auf, mit dem Papiertüten widerstandsfähiger gemacht werden können - insbesondere, wenn sie nass werden -, um sie zu einer brauchbaren Alternative zu machen.

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Die Studie schlägt ein Verfahren zur Herstellung von Papiertüten vor, die so haltbar sind, dass sie mehrfach verwendet und anschließend durch eine alkalische Behandlung chemisch zersetzt werden können, um als Quelle für die Biokraftstoffproduktion zu dienen, so der Forscher Daniel Ciolkosz, außerordentlicher Forschungsprofessor für Agrar- und Biotechnologie.

"Wenn die primäre Verwendung dieser Papierprodukte endet, können sie für sekundäre Zwecke verwendet werden, was sie nachhaltiger macht", sagte er. "Das Recycling und die Verringerung von Papierabfällen tragen auch dazu bei, die Gesamtmenge an festen Abfällen zu reduzieren, die auf Deponien entsorgt werden. Das ist ein Konzept, das die Gesellschaft unserer Meinung nach berücksichtigen sollte".

Die leitende Forscherin Jaya Tripathi, die in diesem Frühjahr an der Penn State ihren Doktortitel im Bereich biorenuerbare Systeme erwerben wird und eine Stelle am Joint BioEnergy Institute in Kalifornien angenommen hat, entwickelte ein innovatives Verfahren, bei dem die Zellulose im Papier torrefiziert oder unter Sauerstoffentzug geröstet wird, um ihre Zugfestigkeit im nassen Zustand erheblich zu erhöhen.

Papiertüten sind eine beliebte Alternative zu Plastiktüten, um die durch die Verwendung von Kunststoffen verursachten Umweltbelastungen zu verringern, erklärte sie, aber Papiertüten haben aufgrund ihrer geringen Haltbarkeit eine kurze Lebensdauer, insbesondere wenn sie nass sind. Außerdem muss eine Papiertüte mehrmals wiederverwendet werden, um ihr Treibhauspotenzial unter das einer herkömmlichen Tüte aus hochdichtem Polyethylen zu senken, so Tripathi weiter.

"Die Wiederverwendung hängt hauptsächlich von der Festigkeit des Sacks ab, und es ist unwahrscheinlich, dass ein typischer Papiersack aufgrund seiner geringen Haltbarkeit bei Nässe so oft wiederverwendet werden kann", sagte sie. "Der Einsatz teurer chemischer Verfahren zur Verbesserung der Nassfestigkeit beeinträchtigt die umweltfreundlichen und kosteneffizienten Eigenschaften von Papier für die kommerzielle Anwendung, daher müssen nicht-chemische Verfahren zur Erhöhung der Nassfestigkeit von Papiersäcken erforscht werden. Torrefizierung könnte die Antwort sein.

Da die Torrefizierung die Glukoseausbeute im Papier verringerte, behandelte sie das Papier anschließend mit einer Natriumhydroxidlösung, auch bekannt als Lauge oder Ätznatron, was die Glukoseausbeute erhöhte und das Papier zu einer besseren Quelle für die Biokraftstoffproduktion machte.

In den Ergebnissen, die kürzlich in der Zeitschrift Resources, Conservation and Recycling veröffentlicht wurden, berichteten die Forscher, dass die Nasszugfestigkeit des Papiers nach einer 40-minütigen Torrefizierung bei 392 Grad Fahrenheit, 428 F, 464 F bzw. 500 F um 1.533 %, 2.233 %, 1.567 % und 557 % anstieg.

Die Glukoseausbeute nahm mit zunehmender Torrefizierung ab, aber nach der Behandlung der torrefizierten Papierproben mit einer alkalischen Natriumhydroxidlösung stieg die Glukoseausbeute, stellten die Forscher fest. So lag die Glukoseausbeute von rohem Filterpapier bei 955 mg/g Substrat, während sie bei der gleichen Papierprobe, die bei 392 F torrefiziert wurde, 690 mg/g Substrat betrug. Die Glukoseausbeute stieg auf 808 bzw. 933 mg/g Substrat, wenn sie mit 1 % bzw. 10 % Alkali behandelt wurde.

Die Notwendigkeit eines Konzepts wie das von den Forschern vorgestellte, um Plastiktüten zu ersetzen, liegt auf der Hand, so Tripathi. Nach Angaben des UN-Umweltprogramms werden weltweit jährlich 5 Billionen Plastiktüten produziert. Es kann bis zu 1.000 Jahre dauern, bis sich diese Tüten vollständig aufgelöst haben. Die Amerikaner werfen jährlich 100 Milliarden Tüten weg - das entspricht der Menge von fast 12 Millionen Barrel Rohöl, die sie wegwerfen.

"Durch die Umstellung auf stärkere, wiederverwendbare Papiertragetaschen könnten wir einen Großteil dieses Abfalls vermeiden", so Tripathi. "Die Auswirkungen einer Technologie wie der von uns demonstrierten - wenn sie perfektioniert werden kann - einschließlich der Verwendung der abgenutzten Tüten als Substrat für die Produktion von Biokraftstoff, wären enorm.

Wie bei vielen wissenschaftlichen Entdeckungen erfuhr Tripathi zufällig von der Synergie zwischen Torrefizierung und alkalischer Behandlung zur Steigerung der Papierkapazität.

"Ich habe mich mit etwas anderem beschäftigt und untersucht, wie sich die Torrefizierung auf die Zellulose auswirkt, um die Glukoseausbeute für die Verwendung als Biokraftstoffsubstrat zu erhöhen", sagt sie. "Aber ich bemerkte, dass die Festigkeit des Papiers zunahm, wenn wir die Zellulose torrefizierten. Das brachte mich auf den Gedanken, dass es sich wahrscheinlich gut für Verpackungen eignen würde, also für eine ganz andere Anwendung."

Daniel Sykes, Lehrprofessor für Chemie, trug zu dieser Forschung bei.

Diese Forschung wurde vom Nationalen Institut für Ernährung und Landwirtschaft des US-Landwirtschaftsministeriums unterstützt.

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