Team 1

Laserlicht findet Wertstoffe – Ressourcen für unsere Zukunft

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu
ihren nominierten Projekten

Die Ressource Öl wird immer knapper. Deshalb gewinnt das Recycling von Kunststoffen zunehmend an Bedeutung. Wie können diese kostbaren Wertstoffe in gemischten Stoffströmen detektiert und erneut genutzt werden? Mit dieser anspruchsvollen Aufgabe beschäftigt sich das Team um Prof. Dr. Gunther Krieg, Dirk Fey und Jürgen Bohleber nun bereits seit über einem Jahrzehnt. Das Ergebnis dieser umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsarbeit trägt den Namen Powersort 200. Die Unisensor Sensorsysteme GmbH stellt der Industrie mit diesem Produkt eine einzigartige Technologie zur Verfügung, die auf dem Gebiet der Stoffsortierung und bei beim Wiederverwerten von Rohstoffen völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

Kunststoff ist heute allgegenwärtig, als PET-Flasche, als Gehäuse elektronischer und anderer Geräte, im Innenbereich von Fahrzeugen, als Lebensmittelverpackung und in vielen anderen Bereichen. Er entsteht aus wertvollen Rohstoffen wie Öl oder Erdgas. Für ein Kilogramm Polyethylenterephtalat (PET) braucht man beispielsweise 1,9 Kilogramm Rohöl und reichlich Energie. Doch die Ressourcen sind begrenzt, und was liegt näher, als Kunststoffe fachgerecht zu recyceln? Auf diese Weise sorgt man nicht nur für Ressourceneffizienz, auch riesige Müllberge lassen sich vermeiden. Und schließlich können mit hochwertig recyceltem Kunststoff auch höhere Margen erzielt werden.

Problematisch ist allerdings die saubere Trennung der einzelnen Materialien, denn gemischte Kunststoff-Recyclingströme enthalten nicht nur Wertstoffe, sondern häufig auch Fremdkunststoffe, Kunststoffe mit Chlor- oder Schwermetallverbindungen sowie Kontaminanten und Additive. Mit visuellen, kamerabasierten oder anderen herkömmlichen Methoden lassen sich viele dieser beim Recycling unerwünschten Fremdstoffe nicht oder nur eingeschränkt identifizieren, denn häufig sind sie weder farblich noch über andere gängige Parameter zu unterscheiden. Auch geringe Partikelgrößen stellen herkömmliche Sortiersysteme oft vor Probleme. Verbleibt ein zu hoher Fremdstoffanteil im recycelten Material, gilt dieses als minderwertig und kann nur eingeschränkt weiterverwendet werden.

Hochgeschwindigkeits-Laserspektroskopie mit Powersort 200
Powersort 200 setzt dort an, wo visuelle oder andere etablierte Systeme und Detektionsverfahren an ihre Grenzen stoßen. Das System nutzt ein auf Hochgeschwindigkeits-Laserspektroskopie basierendes, hocheffizientes und genaues Detektionsverfahren: Es identifiziert das Gutmaterial in einem Kunststoff-Flake- oder Granulatstrom anhand seines spezifischen optoelektronischen Spektrums und trennt es in nur einem Verfahrensschritt von diversen Fremd- und Störstoffen.

Ursprünglich entwickelt wurde das System auf Anregung eines großen Getränkeherstellers mit dem Ziel, 100 Prozent der durch ihn in Umlauf gebrachten PET-Einwegflaschen in einen geschlossenen Recycling-Kreislauf zu bringen und Müllberge zu vermeiden. PET-Recycling in lebensmitteltauglicher Qualität, beispielsweise im Rahmen des Bottle-to-Bottle-Recyclings – mit Powersort 200 ist dies heute schon möglich.

Stärken zeigt das leistungsstarke, effiziente System zudem in anderen Bereichen des Kunststoffrecylings. So gelingt auch die bisher ungelöste Trennung dunkler beziehungsweise schwarzer Kunststoffgemische, die zum Beispiel im Innenbereich jedes Fahrzeugs stecken.

Der physikalische „Fingerabdruck“
Powersort 200 identifiziert die unterschiedlichen Kunststoffe anhand ihres charakteristischen Spektrums, ihres physikalischen Fingerabdrucks. Dazu regt hochenergetisches Laserlicht die einzelnen Teile zur Fluoreszenz beziehungsweise zur Raman-Streuung an. Das von den Materialien abgegebene Licht wird für die folgende Spektralanalyse erfasst, wobei sich der Messbereich vom ultravioletten über das sichtbare Licht bis zum Nah-Infrarot-Bereich erstreckt. Dieses breitbandige und stark differenzierende Spektrum erlaubt eine präzise Stoffbestimmung und damit die Unterscheidung zwischen Gut- und Fremdstoffen. Prinzipiell lassen sich so alle Stoffströme detektieren und trennen, deren Moleküle zu Fluoreszenz angeregt werden können oder Raman-aktiv sind.

Dank des multispektralen, lichtstarken optischen Aufbaus sowie einer enorm hohen Signalverarbeitungsgeschwindigkeit mit leistungsstarken Signalprozessoren werden pro Sekunde bis zu eine Million Spektren generiert und ausgewertet. Mithilfe dieser hohen Auflösung lassen sich selbst winzige Partikel von bis zu einem Quadratmillimeter noch analysieren und sortieren.

Wird ein Partikel im Strom als Fremdstoff identifiziert, sorgt eine Vielzahl von Überschalldüsen für die Entfernung aus dem Gutstrom. Der Weg zwischen Messfeld und Ausblasmechanismus ist dabei extrem kurz und führt zusammen mit der Möglichkeit, Detektionsschwellen und Ausblaseinheit stoffspezifisch einzustellen, zu einer sehr niedrigen Fehlausschussrate. Mit Powersort 200 ist je nach Fremdstoff eine Ausleitung von über 98 Prozent möglich, bei minimalem Verlust von Gutmaterial.

PET in Lebensmittelqualität
Mit Fremdstoffen belastete Kunststoff-Recyclate können bei der Folgeverarbeitung zu erheblichen Problemen und Qualitätseinbußen führen. Im Bereich PET-Recycling sind beispielsweise PVC, Nylon, Silikon, PET mit TiO2, PLA, PC, Leim / Salz oder Papier sowie Flakes mit Barrierestoffen (etwa Scavenger, Blends oder Multilayer) typische Fremdstoffe, die nicht ohne Weiteres vom Gutstoff PET visuell zu unterscheiden sind. Sie führen jedoch zu geringerer Transparenz, zu Verfärbungen und schließlich durch Risse oder Einschlüsse zu Qualitätseinbußen bei der Folgeverarbeitung wie beispielsweise bei der Herstellung neuer PET-Getränkeflaschen.

Powersort 200 detektiert die Fremdstoffe, trennt sie vom Gutstrom und sorgt so für eine hohe Qualität des Recyclats bis hin zur Lebensmitteltauglichkeit. Herkömmliche Detektionssysteme scheitern an dieser Aufgabe, denn transparentes und mit PVC, Nylon oder anderen Soffen kontaminiertes PET lässt sich insbesondere im zerkleinerten Zustand visuell nicht oder nur schwer von reinem PET unterscheiden. Erst in der weiteren Verarbeitung und dabei insbesondere unter Einfluss von hohen Temperaturen werden diese Fremdstoffe durch Verfärbungen im Endprodukt sichtbar. Schwer zu erkennen sind zum Beispiel auch braune Holz- und Leimreste in braunem PET. Mit Powersort 200 hingegen können die unterschiedlichen Stoffe über ihr spezifisches Spektrum, den physikalischen Fingerabdruck, sauber detektiert und ausgeleitet werden. Die Methode greift auch bei der Fraktionierung schwarzer Kunststoffgemische.

Nach der erfolgreichen Markteinführung im Jahr 2008 wird das Powersort-System heute weltweit von führenden Recyclern eingesetzt. Eines dieser Unternehmen ist NURRC in Spartanburg, USA, das unter Einsatz von Powersort 200 bis zu 50.000 Jahrestonnen recyceltes, lebensmitteltaugliches PET produziert. Nach eigenen Angaben werden allein durch die Anlage in Spartanburg die weltweiten CO2-Emissionen um 100.000 Tonnen reduziert. Um dem zu entsprechen, müsste man 215.000 Autos von der Straße verbannen.

Herausforderung Elektronikschrott
Eine große Herausforderung für die nahe Zukunft ist das Recycling von zerkleinerten Kunststoffabfällen aus Elektronikschrott, zum Beispiel aus Gehäusen von Computern, TV-Geräten oder Haushaltsgeräten. Allein in Deutschland fallen jährlich einige 100.000 Tonnen bei der Verwertung von Elektronik-Altgeräten an. Bisher wird ein Großteil dieser Kunststoffabfälle lediglich thermisch behandelt oder nach Asien exportiert, wo aus den Abfällen unter öko- und humantoxikologisch fragwürdigen Bedingungen minderwertige Kunststoffrecyclate hergestellt werden. Für ein wertorientiertes Recycling müssen die verschiedenen Polymersorten identifiziert und getrennt werden. Außerdem ist es erforderlich, schadstoffhaltige Altkunststoffe abzutrennen, die beispielsweise giftige Flammschutzhemmer enthalten und nicht mehr verwendet werden dürfen. Durch Trennung mittels Laser-Spektroskopie kann Elektronikschrott künftig wieder in neuen Elektrogeräten eingesetzt werden. Abfall wird so zur Ressource.

Über Unisensor:
Die Unisensor Sensorsysteme GmbH ist ein familiengeführtes, innovatives Hightech-Unternehmen auf dem Gebiet der Prozesstechnologie. Das Produktportfolio von Unisensor umfasst weltweit patentierte Systeme für die Getränke-, Gase-, Druck- und Recyclingindustrie sowie für den Bereich der Energietechnik.

Vor 20 Jahren bereitete Prof. Dr. Gunther Krieg mit der Gründung des Unternehmens und seiner langjährigen Erfahrung auf dem Gebiet der Optoelektronik und Sensorik die Basis für außergewöhnliche Innovationen. Seither entwickelt ein Team von hoch qualifizierten Mitarbeitern, in enger Zusammenarbeit mit der Wirtschaft und Technischen Hochschulen, wegweisende technische Lösungen und Produkte, die weltweit zum Einsatz kommen und neue Standards in der Prozesstechnik setzen.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Laserlicht findet Wertstoffe – Ressourcen für unsere Zukunft“ wurde von der AiF – Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. – vorgeschlagen.