Kompostierbare Verpackungsschalen für Obst und Gemüse
Aus der faserreichen Fraktion des Luzerneheus wurde im Projekt eine offene Verpackungsschale für Obst und Gemüse entwickelt. Im Mittelpunkt stand insbesondere die Verwendung für Beeren und anderes Kleinobst im Bio-Lebensmitteleinzelhandel.
Dabei reichte es nicht aus, eine Schale lediglich technisch herstellen zu können. Sie musste sich befüllen, stapeln, transportieren und im Handel handhaben lassen. Gleichzeitig sollte sie das verpackte Lebensmittel zuverlässig schützen, von Kundinnen und Kunden angenommen werden und nach ihrer Nutzung wieder in einen biologischen Stoffkreislauf zurückgeführt werden können.
Eine Luzerneschale für bestehende Verpackungsabläufe
Das Design orientiert sich an offenen 250-Gramm-Beerenobstschalen aus Holzschliff oder Wellpappe. Dadurch sollte sich die neue Verpackung möglichst einfach in bestehende Ernte-, Verpackungs- und Handelsabläufe integrieren lassen.
Die Schale wurde bewusst ohne Deckel entwickelt. Obst und Gemüse bleiben dadurch gut sichtbar und können im Markt unmittelbar präsentiert werden. Als mögliche Anwendungen wurden insbesondere Erdbeeren, Himbeeren, Heidelbeeren, Brombeeren, Johannisbeeren und vergleichbares Kleinobst betrachtet.
Die Verpackungsschale ist dabei vor allem als Lösung für Erzeuger, Abpacker und Handelsunternehmen vorgesehen. Kundinnen und Kunden kaufen nicht die leere Schale selbst, begegnen dem neuen Material jedoch unmittelbar beim Kauf des darin angebotenen Lebensmittels.
An die Verpackungsanwendung angepasst
Die Verpackungsschale basiert auf der bereits entwickelten Grundmischung aus Luzernefasern, Kiefernharz und Saatguterbsenpulver. Für diesen Anwendungsfall erfüllt das Kiefernharz mehrere Aufgaben: Es verbindet die Fasern, erhöht die Stabilität und reduziert die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit.
Feuchtigkeit kann während der Verpackungsnutzung auf unterschiedliche Weise auftreten – beispielsweise durch eine hohe Luftfeuchtigkeit, Kondenswasser oder durch die Früchte selbst. In den durchgeführten Anwendungstests zeigte sich ein nachteiliger Einfluss auf das Schalenmaterial erst, nachdem die eingelagerten Früchte bereits verdorben waren.
Das Saatguterbsenpulver verbessert die Oberflächenwirkung und erleichtert zugleich die Verarbeitung der Materialmischung im Pressprozess. Anders als bei der Anzuchtschale ist daher keine zusätzliche Wachseinlage erforderlich.
Vom Funktionsmuster zur vollständigen Verpackungsschale
Die größere Höhe und die steileren Seitenwände der Verpackungsschale stellten besondere Anforderungen an die Formgebung. Die vorbereitete Fasermatte musste so gestaltet werden, dass sich das Material beim Pressen gleichmäßig in Boden, Seitenwände, Ecken und Rand verteilt.
In mehreren Versuchsreihen wurden deshalb unterschiedliche Formen des vorbereiteten Halbzeugs erprobt. Besonders die oberen Ecken mussten zuverlässig geschlossen werden, damit sie beim Stapeln nicht aufbrechen. Gleichzeitig durfte sich im Randbereich weder zu wenig noch zu viel Material ansammeln.
Zu wenig Material führte zu Fehlstellen und einer geringeren Festigkeit. Bei einem zu hohen Materialeintrag konnte sich das Werkzeug verklemmen oder der Rand beim Öffnen beschädigt werden. Die Versuche dienten daher dazu, Materialmenge, Überlappungsbereiche und Formgebung aufeinander abzustimmen.
Wie formstabil ist die Luzerneschale?
Um die technische Leistungsfähigkeit zu beurteilen, wurde die Luzerneschale in einer Packmittelprüfung mit marktüblichen Beerenobstschalen aus Holzschliff und Wellpappe verglichen.
Bei dieser Prüfung wird die Verpackung zwischen zwei Platten belastet. Gemessen wird, welche Kraft erforderlich ist, um die Schale zusammenzudrücken. Damit lässt sich beurteilen, wie gut sie äußeren Belastungen beim Stapeln, Transportieren und Bereitstellen standhält.
Die untersuchten Verpackungen unterschieden sich teilweise im Verlauf der Verformung. Die ermittelte maximale Belastbarkeit der Luzerneschale lag jedoch in einem vergleichbaren Bereich wie bei den untersuchten Referenzverpackungen. Damit konnte gezeigt werden, dass der Luzernewerkstoff grundsätzlich die für eine offene Kleinobstschale erforderliche Formstabilität erreichen kann.
Belastbar beim Anheben
Neben der flächigen Druckbelastung wurde ein weiterer Test entwickelt, der eine typische Situation im Handel nachbildet: Eine befüllte Schale wird mit einer Hand an ihrer Schmalseite aus einer Verkaufsauslage herausgehoben.
Hierbei entsteht eine besonders ungünstige punktuelle Belastung. In der tatsächlichen Anwendung verteilt sich das Gewicht der Früchte gleichmäßiger über den Schalenboden. Der entwickelte Prüfaufbau stellte somit eine bewusst anspruchsvolle Belastungssituation dar.
Für eine Füllmenge von 250 Gramm muss die Schale einer Gewichtskraft von rund 2,5 Newton standhalten. Im Versuch wurden Belastungen von mehr als 4 Newton erreicht, ohne dass die Schmalseite versagte. Damit lag die Belastbarkeit oberhalb der für die vorgesehene Füllmenge erforderlichen Kraft und in einem ähnlichen Bereich wie bei den untersuchten Referenzschalen.
Gleichzeitig zeigte sich ein materialtypischer Unterschied: Die Luzerneschale verhielt sich vergleichsweise steif, während die Referenzschalen aus Holzschliff und Wellpappe elastischer reagierten. Für eine seriennähere Schale wurde daraus das Ziel abgeleitet, die Flexibilität und Bruchfestigkeit weiter zu verbessern.
Befüllen und Transportieren unter Praxisbedingungen
Vorwerk Podemus untersuchte die Funktionsmuster nicht nur anhand technischer Kennwerte, sondern auch innerhalb praktischer Verpackungs- und Logistikabläufe.
Die Schalen konnten in vorhandene IFCO-Mehrwegkisten eingestellt und direkt während des Ernte- beziehungsweise Befüllprozesses mit Gemüse und Kleinobst befüllt werden. Das gewählte Format war mit den verwendeten Transportkisten kompatibel.
Auch die Stapelung der noch unbefüllten Schalen war grundsätzlich möglich. Die befüllten Schalen konnten anschließend innerhalb der untersuchten Logistikkette transportiert und in die betrieblichen Abläufe eingebunden werden.
Damit wurden zentrale Anforderungen für die praktische Nutzung bestätigt:
- Befüllbarkeit während des Ernteprozesses,
- Kompatibilität mit vorhandenen Mehrwegkisten,
- Stapelbarkeit der leeren Verpackungen,
- und grundsätzliche Transportfähigkeit der befüllten Schalen.
Die Praxistests lieferten zugleich Hinweise für eine seriennähere Ausführung. Optimierungspotenzial besteht insbesondere bei Materialstärke, Eigengewicht, Flexibilität, Bruchfestigkeit und Gestaltung der Schalenränder.
Die Logistikkette im Blick
Naturfasermaterialien reagieren stärker auf ihre Umgebung als viele konventionelle Kunststoffe. Deshalb wurden neben der sichtbaren Transportstabilität auch die klimatischen Bedingungen entlang der betrieblichen Logistikkette untersucht.
Ein Datenlogger erfasste kontinuierlich:
- Temperatur,
- relative Luftfeuchtigkeit,
- und Taupunkt.
Die Messung begann bei der Anlieferung und Bereitstellung der Verpackungsschalen, umfasste den Lkw-Transport und endete mit der Anlieferung und Einlagerung in den Filialen von Vorwerk Podemus.
So konnten die tatsächlichen Temperatur- und Feuchteverläufe dokumentiert werden, denen eine Verpackung innerhalb der bestehenden Lieferkette ausgesetzt sein kann. Die Daten ergänzten die praktische Beobachtung und bildeten eine Grundlage für die Beurteilung der Material- und Transportstabilität.
Für die vorgesehene Nutzungsdauer entwickelt
Die Verpackungsschalen sind für den direkten Kontakt mit Beeren, Kleinobst und weiteren frischen Lebensmitteln vorgesehen. Bereits der Herstellungsprozess trägt dazu bei, die hygienischen Voraussetzungen dafür zu schaffen.
Beim Heißpressen wird das Material zunächst 80 Sekunden lang bei 130 °C behandelt und anschließend für weitere 60 Sekunden bei 110 °C umgeformt. Durch diese thermische Behandlung wird die mikrobielle Ausgangsbelastung des Luzerneheus deutlich reduziert.
Zusätzlich wurde die Widerstandsfähigkeit gegenüber Schimmelbildung untersucht. Schalen mit einem Kiefernharzanteil von mindestens zehn Masseprozent zeigten innerhalb des für die Verpackung vorgesehenen Zeitraums eine deutlich höhere Schimmelresistenz als Varianten ohne Harz.
Bei 21 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 Prozent war nach sieben Tagen keine sichtbare Besiedelung festzustellen. Damit wurde die angestrebte Schimmelbeständigkeit für den vorgesehenen Nutzungszeitraum von Beeren- und Kleinobstverpackungen erreicht.
Wie kommt die Schale bei der Kundschaft an?
Neben der technischen und logistischen Erprobung wurde untersucht, wie Kundinnen und Kunden die ungewohnte Verpackung wahrnehmen.
Dafür wurden 38 Personen in zwei unterschiedlichen Biomärkten von Vorwerk Podemus befragt: im erzeugernah geprägten Hofladen und in einem städtischen Biomarkt. Die Demonstratorschalen wurden den Teilnehmenden unmittelbar ausgehändigt. Sie konnten das Material betrachten, anfassen, riechen und seine Stabilität selbst einschätzen.
Der erste Eindruck fiel überwiegend positiv aus. Besonders die natürliche Farbgebung und die sichtbare Faserstruktur wurden als passend zu regionalen und ökologischen Lebensmitteln wahrgenommen. Die nicht vollständig glatte Oberfläche wurde mehrheitlich nicht als Qualitätsmangel, sondern als nachvollziehbares Merkmal eines Naturmaterials bewertet.
Die deutlich positivsten Rückmeldungen betrafen die ökologische Wirkung. Nahezu alle Befragten nahmen die Schale als umweltfreundlich wahr. Auch die Herstellung aus einem nachwachsenden landwirtschaftlichen Rohstoff und die Möglichkeit einer Kompostierung wurden grundsätzlich positiv beurteilt.
Gleichzeitig zeigte die Befragung, dass die Verpackung das Lebensmittel nicht allein verkauft. Frische, Qualität, Herkunft und Preis des verpackten Produktes bleiben für die Kaufentscheidung entscheidend. Ein geringer Mehrpreis für eine umweltfreundlichere Verpackung wurde grundsätzlich akzeptiert, muss jedoch nachvollziehbar begründet und klar begrenzt bleiben.
Besonderer Informationsbedarf bestand zu:
- den enthaltenen Materialien,
- der Herkunft der Luzerne,
- der Kompostierbarkeit,
- und der richtigen Entsorgung.
Die natürliche Optik vermittelt zwar bereits einen ökologischen Eindruck, ersetzt aber keine eindeutige Material- und Entsorgungsinformation.
Nach der Nutzung zurück in den biologischen Kreislauf
Das Verhalten der Luzerneschalen nach ihrer Nutzung wurde in zwei unterschiedlichen Kompostierungsversuchen betrachtet.
Ein gemeinsam mit der TU Dresden durchgeführter Versuch orientierte sich an industriellen Kompostierungsbedingungen. Ergänzend wurde auf dem landwirtschaftlichen Betrieb über rund sechs Monate ein praxisnaher Heimkompostversuch durchgeführt.
In den Heimkompost wurden vollständige Verpackungs- und Anzuchtschalen sowie ausgewählte Einzelmaterialien eingebracht. Bereits bei den ersten Probeentnahmen nahmen die Luzerneschalen Feuchtigkeit auf, verloren an Festigkeit und zeigten Auflösungserscheinungen an Kanten und Oberfläche.
Im weiteren Verlauf öffnete sich der Faserverbund zunehmend. Die Schalen verloren ihre ursprüngliche Form und zerfielen in kleinere Faserbestandteile. Am Ende des Versuchs waren die untersuchten Luzernefaser-Schalen weitgehend beziehungsweise vollständig in die Kompostmatrix übergegangen.
Die beiden Versuchsansätze bestätigten damit die grundsätzliche Eignung der untersuchten Materialverbunde für eine kompostbasierte Entsorgung. Der Abbau verlief unter den kontrollierteren und wärmeren Bedingungen schneller als im Heimkompost.
Die Untersuchungen waren keine vollständige Zertifizierungsprüfung. Zudem bezogen sie sich auf die während der Versuche verfügbaren Materialstände. Die später optimierte Rezeptur wurde nicht noch einmal in einer eigenständigen standardisierten Kompostierungsprüfung untersucht. Die Ergebnisse der Vorgängervarianten liefern jedoch eine belastbare Grundlage für die Einordnung des entwickelten Materialsystems.
Ein bestätigtes Verpackungskonzept
Im Projekt konnte gezeigt werden, dass aus Luzernefasern eine funktionale offene Verpackungsschale für Obst und Gemüse hergestellt werden kann.
Die technischen Prüfungen bestätigten eine mit marktüblichen Referenzschalen vergleichbare Belastbarkeit. Die Praxiserprobung zeigte, dass die Schalen grundsätzlich befüllt, gestapelt, in Mehrwegkisten eingesetzt und innerhalb der untersuchten Logistikkette transportiert werden können. Die Kundenbefragung bestätigte zudem eine positive Wahrnehmung der natürlichen Materialwirkung und des ökologischen Verpackungsansatzes.
Die entwickelten Funktionsmuster stellen noch keine serienreife Verpackung dar. Insbesondere Materialstärke, Gewicht, Flexibilität, Randgestaltung und reproduzierbare Fertigung bieten weitere Optimierungsmöglichkeiten.
Die bereits bestätigten Produkt- und Logistikfunktionen bilden jedoch eine belastbare Grundlage für eine seriennähere Schalenvariante. Der nächste Schritt besteht deshalb nicht in einem vollständigen Neubeginn, sondern in der Übertragung der Projektergebnisse auf einen optimierten und skalierbaren Formpressprozess.