306 Wochenblatt für Papierfabrikation 5/2013

KARTON

EinführungDie Entwicklung von Kartonverpackungen für flüssige Nahrungsmittel

(KfN) wurde von Beginn an durch Bestrebungen bestimmt, die heute

mit dem Begriff Ressourceneffizienz assoziiert werden:

L Reduzierung des Verpackungsgewichtes

L Steigerung der Effektivität von Transport-, Umschlag- und Lage-

rungsprozessen

L Verbesserung der Haltbarkeit flüssiger Nahrungsmittel.

Ursprünge der Entwicklung dieser Verpackungsmittel lassen sich auf

Patente zurückführen, die bereits Ende des 19. und zu Beginn des

20. Jh. in den USA erteilt wurden. Deren Inhalt zielte darauf ab, Glas-

flaschen für Milch und Milchprodukte durch auslaufsichere Behälter

aus Papier bzw. Karton zu ersetzen.

Einer der Pioniere der industriellen Einführung von Vorläufern der heuti-

gen KfN ist John Van Wormer, dem zwischen 1911und 1915 drei relevan-

te Patente erteilt wurden. 1 Eines davon für einen Behälter aus Karton,

dessen Auslaufsicherheit durch Tauchen in geschmolzenes Paraffin er-

zielt wurde. Das Produkt erhielt die Bezeichnung Pure-Pak®. (Abb. 1)

Die erste Pure-Pak® Maschine wurde in einer Milchproduktion der

Borden Company Ende 1936 installiert, die Produktion startete 1937

mit einer Jahresproduktion von 42 Mio. Kartonagen.

Im Dezember 1956 gründeten C.A. Johansen, ein norwegischer Papier-

Ingenieur, und Johan H. Andresen in Norwegen die Elopak Ltd. Sie im-

portierte die Füllmaschinen aus den USA, übernahmen Installation und

Wartung und produzierten in Lizenz die Pure-Pak® Zuschnitte. Seither ent-

wickelte sich Elopak zu einem der international führenden Unternehmen im

Wirtschaftsbereich Kartonverpackungen für flüssige Nahrungsmittel. 2

Wesentliche Impulse für die weltweite Erfolgsgeschichte der KfN kamen

aus Schweden. Der Unternehmer Ruben Rausing verfolgte die Idee, in

seinem Unternehmen Åkerlund & Rausing eine neuartige auf Karton

basierte Verpackung für Milch zu entwickeln. 1944 erfolgte die Installa-

tion des Prototyps der ersten Abfüllmaschine in Rausings Fabrik in Lund.

Im Dezember 1951gründet Ruben Rausing die AB Tetra Pak als Tochter-

unternehmen der Åkerlund & Rausing. Bereits Mitte der 1950er Jahre

wird die Extrusionsbeschichtung des Kartons mit Polyethylen als Bar-

rierematerial eingeführt. Ein bedeutender Meilenstein der Tetra Pak AB

zum heutigen Weltmarktführer Tetra Pak war die Entwicklung eines

Systems zur Herstellung aseptischer Verpackungen für Milch, die erst-

mals 1961 vorgestellt wurde. Parallel dazu erfolgte die Markteinfüh-

rung der klassischen Tetra Brik Verpackung mit rechteckigem Quer-

schnitt und verschiedenen Packungsgrößen (200 bis 2000 ml). 3,4,5

Nach Tetra Pak ist die Schweizer SIG Combibloc Group AG (vormals SIG

Holding AG) weltweit zweitgrößter Systemanbieter für KfN. Das ur-

sprünglich in einem breiten Maschinenbau-Portfolio tätige Unternehmen

begann 1906 seine Aktivitäten im Bereich von Verpackungsmaschinen.

Die spätere Entwicklung zu einem der führenden Unternehmen im

Bereich KfN hat wesentliche Berührungspunkte mit der Geschichte des

deutschen Unternehmens Jagenberg, das seit Ende des 19. Jh. eine

breite Palette von Papierverarbeitungsmaschinen produzierte. 6

Im Jahr 1931erfolgt die Patentierung der von Günter Meyer-Jagenberg

entwickelten paraffinierten Kartonverpackung für flüssige und pastö-

se Güter. Die so genannte „Perga-Packung“ war ein Verpackungs-

produkt für Milch auf Wachspapierbasis, das erst nach dem Zweiten

Weltkrieg ihre wirtschaftliche Renaissance erlebte. In den 1960ern war

sie in Westeuropa die meistverbreitete Verpackung ihrer Art.

1958 gründete die Jagenberg AG auf Grund stetig steigender Nachfrage die

Papier- und Klebstoffwerke Linnich GmbH (PKL) in Linnich. 1975 präsentier-

te die Firma PKL das Verpackungssystem „combibloc“ für das aseptische

Abfüllen von Getränken. Nach der Akquisition der PKL Verpackungssyste-

me GmbH Deutschland durch die SIG erfolgt 1989 die Gründung des Unter-

nehmens SIG Combibloc. Als Systemanbieter liefert das Unternehmen so-

wohl den Packstoff, als auch die entsprechenden Füllsysteme. 7,8,9

Im Ergebnis intensiver F&E-Aktivitäten der marktführenden Unterneh-

men auf den Gebieten der Verpackungsmaterialien, der Verpackungs-

konstruktion einschließlich von Lösungen zur Wiederverschließbarkeit

der Packungen und der Abfüllanlagen und -technologien sind heute

sowohl kartonbasierte Verpackungen für Frischprodukte als auch für

länger haltbare Lebensmitteln am Markt verfügbar.

Kartonverpackungen für flüssige Nahrungsmittel Hochtechnologie und Ressourcenschonung

Der Beitrag fasst die Entwicklung von Kartonverpa-

ckungen für flüssige Nahrungsmittel von ihren Anfäng-

en in den USA Ende des 19. Jh. bis in die Gegenwart zu-

sammen. Ausgewählte Daten veranschaulichen sowohl

die regionale Differenzierung der Märkte als auch

deren unterschiedliche Dynamik. Ausgehend von

komplexen Anforderungen an die Packmittel wird ein

Überblick über Rohkartone, Packstoffaufbau, Pack-

mittelfertigung und Abfülltechnologien gegeben. Als

ein Zeichen für die angestrebte Entkopplung von öko-

nomischem Wachstum und negativen Umweltein-

flüssen ist die Steigerung der Recyclingrate gebrauch-

ter Flüssigkeitskartonverpackungen dargestellt.Abb. 1: Van Wormer Square Wax Milk Carton

Autor: Alf Strunz, alf-mathias.strunz@ptspaper.de, Papier- und Faserstofftechnikum, PTS

5/2013 Wochenblatt für Papierfabrikation 307

KARTON

Hauptsegmente der Füllgüter sind:

L Frischmilch und länger haltbare Milchprodukte (LDP – Liquid diary

products)

L Alkoholfreie Getränke ohne Kohlensäure (NCSD – non carbonated

soft drinks)

L Wein und andere alkoholhaltige Getränke

L Suppen und Saucen

L Gemüse und Fertiggerichte.

MarktentwicklungIn Tab. 1 sind Angaben zu Marktanteilen der führenden Hersteller von

KfN enthalten. Die Daten beruhen auf Erhebungen, die in 2009 im

Auftrag von Greatview/Tralinpack erfolgten.10

Tab. 2 zeigt die Entwicklung des Marktvolumens für KfN im Zeitraum

2005–2010 und einen prognostizierten Wert für 2015.

Als Basis der Prognose für 2015 dienten erreichte bzw. erwartete

Zuwachsraten des Pro-Kopf-Verbrauchs von KfN in den analysierten

Regionen und Ländern im Zeitraum 2011–2015. (Tab. 3)

Angetrieben durch das ökonomische Wachstum, durch zunehmende

Nachfrage nach „convenience” Verpackungen und durch den steigenden

Bedarf an länger haltbaren Lebensmitteln ist insbesondere in den Schwel-

lenländern ein rasches Wachstum des Marktes für KfN zu verzeichnen.

So wird beispielsweise für Indien, Bangladesch and Sri Lanka eine

Zunahme der Nachfrage nach Getränken aus Milch und Fruchtsäften

von 757 Mio. l in 2010 bis 2013 auf 1,3 Mrd. l (+72%) eingeschätzt.

Ähnliche Trends sind in Süd- und Südostasien zu erwarten, wo derzeit

von einer Steigerung der Nachfrage derartiger Produkte von 3,6 auf

5,4 Mrd. l (+59%) ausgegangen wird. (Quelle: Tetra Pak)

PackmittelherstellungAnforderungen an die Packstoffe

Die technischen Anforderungen an die Packstoffe ergeben sich aus

hauptsächlich aus folgenden Teilbereichen:

L Einhaltung aller gesetzlicher Vorschriften und Bestimmungen –

Legal & Health

L Schutz sensitiver Bestandteile (z.B. Vitamine) des Verpackungsgutes

vor Umgebungseinflüssen (Undurchlässigkeit gegenüber Luft und

Licht)

L Vermeidung von Wechselwirkungen zwischen Packstoff und Pack-

gut (Geschmacks- und Geruchsneutralität)

L Gewährleistung aller Verpackungsfunktionen unter Transport-,

Umschlag- und Lagerbedingungen (Auslaufschutz, Mechanische

Stabilität, Beständigkeit des Druckbildes)

L Sicherung der erforderlichen Verarbeitungseigenschaften (Bedruck-

barkeit, Rillbarkeit, Staubfreiheit, Siegelfähigkeit).

Die Ausprägung der einzelnen Anforderungen an den Packstoff ist

abhängig von den Anforderungen durch das Packgut – insbesondere

von dessen Haltbarkeitskriterien unter verschiedenen Umgebungsbe-

dingungen – sowie von den Anforderungen des Endkunden hinsicht-

lich der Verpackungsgrößen und des optischen Erscheinungsbildes an

den Verkaufsstellen der Verpackungen in Handelseinrichtungen.

Die Realisierung der Anforderungen erfolgt vorrangig durch die spezi-

fische Auswahl der für die Packstoffe eingesetzten Materialien und

deren Verarbeitungstechnologie. Hauptbestandteile von KfN mit un-

terschiedlichem Anforderungsprofil bzgl. der Haltbarkeit der Füllgüter

sind in Abb. 2 schematisch dargestellt. 11

Tab. 1: Globale Marktanteile von Unternehmen (Basis 250 ml Verpackungen)

Tab. 2: Marktvolumen für KfN in ausgewählten Regionen bzw. Ländern

Tab. 3: Prognosen für den Pro-Kopf-Verbrauchs an KfN in ausgewählten Regionen

Abb. 2: Packstoffaufbau von KfN für länger haltbare Produkte bzw. Frischprodukte

(Quelle: FKN)

308 Wochenblatt für Papierfabrikation 5/2013

KARTON

Für Frischprodukte mit kurzer Haltbarkeit und

Lagerung in der Kühlkette wird in der Regel

durch eine zweiseitige Extrusionsbeschich-

tung des Rohkartons mit PE eine wirksame Bar-

riere gegen über Feuchtigkeit und Mikroorga-

nismen erzielt (Abb. 2, rechts).

Für Aseptik- und Heiß-Abfüllung für Produkte

mit längerer Haltbarkeit und Lagerbarkeit bei

Raumtemperatur bieten aseptisch ausgerüste-

te KfN mit zusätzlichen Barriereschichten, z.B.

aus PE,PP, EVOH oder Aluminium gegenüber

Umgebungseinflüssen – wie z.B. durch Luft,

Wasserdampf oder Licht – optimalen Schutz

der Packgüter.

Kennzeichnend für aseptische Verpackungs-

prozesse ist, dass Füllgut und Packstoff ge-

trennt sterilisiert werden und dass die Abfül-

lung in einem geschlossenen, sterilen System

erfolgt. Durch die unmittelbar anschließende

Versiegelung wird vermieden, dass Mikroorga-

nismen in das Füllgut gelangen können.

In Abb. 3 sind verschiedene Varianten des Ver-

bundaufbaus von Packstoffen für KfN schema-

tisch dargestellt. 12,13

Für Frischprodukte mit einem Packungsvolu-

men von 1000 ml beträgt der mittlere masseb-

zogene Anteil von PE am Packstoff etwa 20%,

auf den Rohkarton entfallen dementsprechend

80 %. Für aseptischen KfN gleicher Packungs-

volumens (1000 ml) macht der Rohkarton rund

75% der Packstoffe aus. Der PE-Anteil beträgt

rund 20%, der Anteil Aluminiumfolie etwa 5%.

Die Höhe der einzelnen Masseanteile der Verbundkomponenten kann

in gewissen Grenzen variieren. Sie ist vorrangig abhängig von

L Packungsvolumen (marktübliche Packungsvolumina in ml: 100,

250, 500, 1000, 1500, 2000)

L Pack- bzw Füllgut

L Art und Menge der aufgebrachten Polymerbeschichtungen

L Dicke der Aluminiumfolie (überwiegend 5 bis 10 µm, max 100 µm).

Rohkartone

Die Eigenschaften der Rohkartone (Liquid Packaging Board – LPB)

bestimmen in entscheidendem Maße:

L die mechanische Stabilität der Verpackungen

L wesentliche Verarbeitungseigenschaften der Packstoffe (wie z.B.

Rillbarkeit und Bedruckbarkeit)

L deren Konformität zu nationalen und internationalen lebensmittel-

rechtlichen Anforderungen.

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte werden Rohkartone für KfN welt-

weit ausschließlich aus Primärfaserstoffen gefertigt. In Anlehnung an die

von CEPI vorgeschlagene Klassifizierung von Karton 14 finden für KfN die

in Abb. 4 schematisch dargestellten Grundtypen Verwendung.

Rohkartone werden auf Kartonmaschinen erzeugt, die in Abhängigkeit

von der Anzahl der faserstoff-basierten Kartonschichten über mehrere

Blattbildungseinrichtungen verfügen. Zum Einsatz kommen meist

Kombinationen aus verschiedenen Langsieb- und Formerkonzepten,

deren Stoffauflaufsystemen ein- oder mehrschichtig ausgelegt sind.

Marktführer für derartige Kartonmaschinen sind die Konzerne Voith

und Metso. Zu den derzeit modernsten Kartonmaschinen für LPB zäh-

len die PM 22 von International Paper/Sun Paper in Yanzhou City,

Provinz Shandong, China (Metso) und die PM 9 von Klabin in Monte

Alegre (Voith). (Tab. 4)

Im Unterschied zu konventionellem Faltschachtelkarton erfordern

Rohkartone für KfN eine spezielle Masseleimung, um das Eindringen

flüssiger Packgut-Bestandtteile über freie Schnittkanten in den Karton

zu vermeiden. Als Leimungsmittel kommen vorwiegend Dualsysteme

aus AKD (Alkylketendimer) und Harzleim oder Monosysteme auf AKD-

Basis zum Einsatz.

An autoklavierbare (retortable) KfN 16,17, die für die Verpackung von

Fertiggerichten Verwendung finden, werden darüber hinausgehende

Anforderungen hinsichtlich einer reduzierten Zugänglichkeit des Kar-

tons für Dampfphasen des Packgutes gestellt. Diese können z.B. durch

Veränderungen des Faserstoffeinsatzes, der Leimungstechnologie

und eine thermisch-mechanische Verdichtung der Kartonoberfläche

erfüllt werden. 18

Die Decklage von Rohkartonen kann innerhalb der Kartonmaschine mit

mehreren Schichten aus Streichmassen (Gesamtstrichgewicht 20 bis

25 g/m2) versehen werden. Durch den Strich werden einerseits kunden-

spezifische Anforderungen an optische Eigenschaften wie Weißgrad

Abb. 3: Va-

rianten des

Verbundaufbaus

von Packstoffen

für KfN

Abb. 4: Aufbau verschiedener Rohkartontypen für KfN

Tab. 4: Weltmarktführer der Erzeugung von Rohkarton für KfN 15

310 Wochenblatt für Papierfabrikation 5/2013

KARTON

und Farbort realisiert und andererseits Oberflächen-

eigenschaften eingestellt, die für nachfolgende Ver-

arbeitungsprozesse wie Bedrucken und das Aufbrin-

gen von Barriereschichten erforderlich sind.

Die Zusammensetzung der Streichmassen und die

verwendeten Auftrags- und Egalisiersysteme richten

sich an den technologischen Eigenschaftsanforde-

rungen aus.

Vorstufen der Packmittelherstellung

Die Herstellung der Packmittel ist als technologischer

Teilprozess der komplexen Abfülltechnologien für

flüssige Nahrungsmittel zu betrachten. Etabliert sind

zwei Basis-Technologien, die sich durch das Aus-

gangsformat der Packstoffe bei den Endkunden

(Abfüllern) unterscheiden. (Abb. 5, 6)

In den Vorstufen der Packmittelherstellung gelan-

gen als trennende Verfahren Druckschnitt, Scher-

schnitt sowie abtragende Verfahren zum Einsatz.

(vgl. Abschnitt 5.3 in 19)

Bei diesen mechanischen Verarbeitungsprozessen

entstehen zwangsläufig feine Stäube aus den Be-

standteilen der zu verarbeitenden Packstoffe. Um

Kontaminationen der Füllgüter mit derartigen Stäu-

ben zu minimieren, werden aufwendige Absaugsys-

teme im unmittelbaren Bereich der Trennprozesse

integriert, die in den Anlagen durch elektrostatische

Abscheidesysteme ergänzt sind.

Für die Vorbereitung von Biegestellen stellt das Rillen

als umformendes Verfahren als eine wesentliche

Vorstufe der Packmittelherstellung für KfN den

Stand der Technik dar. (vgl. Abschnitt 5.2.6 in 19)

Die zunehmende Vielfalt kunden- und produktspezi-

fischer geometrische Formgebung von KfN stellt er-

höhte Anforderungen an die material- und fertigungs-

gerechte Formgebung der Verpackungen. (Abb. 7)

Zur optimale Gestaltung der Verpackungskonstruk-

tion und zur Auslegung der Umformprozesse wird

zunehmend auf numerische Methoden (FEM) und

dafür verfügbare Software zurückgegriffen. 20

Von ausschlaggebender Bedeutung für die Produkt-

sicherheit und die Produktqualität sind die stoff-

schlüssige Verbindungen, die die Längsnaht des Ver-

packungsmittels, den geschlossenen Boden und die

geschlossene gegenüberliegende Seite der Verpa-

ckung bilden. 21,22 Die stoffschlüssigen Verbindungen

werden in der Regel durch ein Siegelverfahren reali-

siert. (vgl. Abschnitt 5.4.3 in 19)

Für Packstoffe mit Aluminiumfolie (in Aseptikverpackungen) finden

beispielsweise Induktionsverfahren Anwendung. Durch ein hochfre-

quentes magnetisches Feld wird ein Stromfluss in der Aluminiumfolie

erzeugt, der zu einer lokale abgegrenzte Erwärmung der Alumini-

umfolie bis zur Siegeltemperatur der darüber liegenden Kunststoff-

beschichtungen bewirkt. Es gibt praktische keine negativen Tempera-

tureinflüsse auf Füllgut und Basiskarton.

Nach eigenen Angaben werden 80% der von Tetra Pak hergestellten

KfN mit Induktionsverfahren gesiegelt 23, während die Versiegelung

von Frischprodukt-Verpackungen mit Ultraschall erfolgt. In Füllsyste-

men von SIG Combibloc kommen eigenständige technische Lösungen

zum Verschließen der Verpackungen mit Ultraschall-Siegelung zum

Einsatz. 24

Bedruckt werden Kartone für KfN entweder auf der gestrichenen oder

ungestrichenen Decklage des Rohkartons oder auf der mit Kunststoffen

(z.B. PE beschichteten) Decklage des Rohkartons. Die eingesetzten

Druckfarben und Hilfsmittel müssen – wie das gesamte Packmaterial –

alle relevanten lebensmittelrechtlichen Anforderungen erfüllen.

Abb. 5: Rohkarton zu Packstoff („roll-fed“ Verfahren Bedrucken – Beschichten – Schneiden)

Abb. 6: Rohkarton zu Packmittelzuschnitt („Mantelverfahren“)

Abb. 7: Kunden- und produktspezifische Vielfalt von KfN

Foto

: ACE

AIS

BL

5/2013 Wochenblatt für Papierfabrikation 311

KARTON

Angewandte Druckverfahren sind:

L Flexodruck u.a. 25,26

L Offsetdruck u.a. 27,28,29

L Tiefdruck. u.a. 30

Vielfach werden zur schnelleren

Verfestigung der Druckfarben UV-

Strahlung oder auch Elektronen-

strahlverfahren (z.B. von Tetra Pak

grundsätzlich) eingesetzt.28,31

Insbesondere Drucke, die auf die

mit Kunststoffen beschichtete

Außenseite des Packmittels auf-

gebracht werden, erfordern eine

spezielle Behandlung vor dem

Druck, um die Haftung der Druckfarbe unter den Bedingungen nach-

folgender Verarbeitungs-, Distributions- und Lagerungsprozesse zu

gewährleisten. Dies wird üblicherweise durch Oxydationsprozesse an

der Kunststoffoberfläche erreicht.

Meist verwendet sind das elektrische Corona-Verfahren (CDT – Corona

Discharge Treatment) und das chemische Verfahren der Flammbehandlung.

Durch die Verfahren verbessert sich die Adhäsion der polymeren Ober-

flächen infolge folgender Effekte: 32

L Verbesserung der Benetzbarkeit der Substratoberflächen durch Erhö-

hung der Oberflächenenergie/respektive der Oberflächenspannung

L Verringerung der Kristallinität bzw. Erhöhung der Rauheit

L Eliminierung von Schichten/Substanzen mit sehr niedriger Kohäsion.

Diese Behandlungen beeinflussen jedoch nicht nur die Haftmecha-

nismen zwischen Polymeroberfläche und Druckfarben (Druckbild,

Abriebfestigkeit, Beständigkeit), sondern sind auch auf die Anforde-

rungen bezüglich der Siegelfähigkeit der beschichteten und bedruck-

ten Packstoffe auszurichten. 33

Abfülltechnik und VerpackungsendfertigungAnlagen zur Abfüllung von flüssigen, pastösen und stückigen Nah-

rungsmitteln in Verpackungen auf Kartonbasis verkörpern komplexe

Hochtechnologien mit den Teilbereichen Packstoff- und Packmittel-

herstellung, Packgutvorbehandlung und Abfülltechnik.

Hohe Anforderungen resultieren nicht zuletzt aus der hohen Produktivi-

tät der Anlagen, die (in Abhängigkeit vom Packungsvolumen und der

Vorbehandlung des Füllgutes zur Gewährleistung bestimmter Haltbar-

keitsanforderungen) bis zu 24000 Packungen pro Stunde betragen

kann. Wesentliche Teilprozesse der Abfüllung und der Endfertigung

aseptischer Verpackungen zeigt Abb. 8 anhand des Mantelverfahrens.

Eine ausführliche Beschreibung des Mantelverfahrens ist in 35 gegeben.

Vorgefertigte Mäntel werden aus dem Mantelmagazin entnommen,

rechteckig aufgeformt und auf einen Dorn für die Bodenherstellung ge-

schoben. Die zu versiegelnden Bereiche des Packungsbodens werden

durch Heißluft für die anschließende Vorformung und Versiegelung des

Packungsbodens aktiviert. Daran schließt sich die Überführung der bo-

dengesiegelten Packung in nachfolgende Einrichtungen zur Vorfaltung

des Packungsgiebels entsprechend den vorgegebenen Biegelinien an.

Die so vorbereiteten Packungen gelangen danach in die Aseptikzone

mit den Bereichen für die Sterilisation der Packung mit Wasserstoffper-

oxid (H2O2), dass anschließend durch mehrfache Zufuhr erwärmter

Sterilluft wieder entfernt wird. Durch die Füllstation wird das Lebens-

mittel in die Packung gefüllt. Die Aseptikzone steht unter einem gerin-

gen Überdruck steriler Luft, die den Zugang unsteriler Außenluft und

damit eine Kontamination der Aseptikzone ausschließt.

Nach dem Befüllen wird der Packungsgiebel durch die Ultraschallwerk-

zeuge gefaltet und oberhalb des Füllspiegels verschweißt. Vor dem Ver-

schweißen mit Ultraschallenergie wird Dampf in die Packung injiziert, der

das Kopfraumvolumen nach dem Erkalten auf ein Minimum reduziert.

Die Grundprozesse zur aseptischen Abfüllung sind bei den „roll-fed“-

Verfahren ähnlich. 36 (Abb. 9)

Das bahnförmige ungeformte Verpackungsmaterial durchläuft ein

Wasserstoffperoxid-Bad (35%). Die mittlere Verweilzeit beträgt uim

Durchschnitt 6 sek bei einer mittleren Temperatur von 70°C. Das Was-

serstoffperoxid wird anschließend mittels Druckwalzen und heißer

Luft wieder entfernt.

Dafür sind von den Systemlieferanten verschiedene technische Lösun-

gen entwickelt worden, die in die Endfertigung der befüllten Ver-

packungen integriert sind.37,38

Mit dem Flachverschluss combiTop brachte SIG Combibloc 1993 weltweit

den ersten Verschluss für aseptische Getränkekartons auf den Markt.

Abb. 8: Abfülltechnologie für aseptische Verpackungen nach dem „Mantelverfahren“ 34 (Quelle SIG)

Abb. 9:

„Roll-fed“-

Verfahren zur

Packmittel-

herstellung

(Quelle: Tetra Pak)

312 Wochenblatt für Papierfabrikation 5/2013

KARTON

Verschlüsse für frische und Produkte mit längerer Haltbarkeit (ESL-Pro-

dukte – extended shelf life) werden beispielsweise vor dem Füllvorgang

vom Kartoninnern durch ein Loch im Karton appliziert. Die Applikation

von Verschlüssen für lang haltbare und aseptisch abgefüllte Produkte

kann beispielsweise durch die von Tetra Pak angewandte DIMC-Tech-

nologie erfolgen (DIMC – „Direct Injection Moulding Concept“).

Der Ausgießer aus Kunststoff wird in der Abfüllmaschine direkt vor

dem Abfüllvorgang ausgeformt und mit dem Verpackungsmaterial

verschweißt. Nach dem Abfüllen wird nur noch die Kappe aufgesetzt.

Um Kontaminationen des Füllgutes aus der Prozessumgebung zu ver-

meiden finden auch andere Technologien Verwendung. Dabei werden

z.B. Verschlüsse nach dem Befüllen auf die bereits verschlossene

Verpackung aufgebracht. 39,40 (Abb. 10)

RecyclingStoffliche Verwertung der Hauptkomponente Karton in der

Papierindustrie

Als ein Zeichen für die Entkopplung von ökonomischen Wachstum und

negativen Umwelteinflüssen kann die zielstrebige Steigerung der Re-

cyclingrate von gebrauchten KfN in den Ländern der EU-27, Norwegen

und der Schweiz angesehen werden. Nach Angaben der Alliance for

Beverage Cartons and the Environment (ACE) stieg diese Kennziffer seit

2005 um jährlich rund 5% an. 41 (Abb. 11)

Die angewandten Recyclingverfahren haben eine möglichst vollständi-

ge Verwertung aller produkttypischen Verpackungsbestandteile zum

Ziel. Der überwiegende Teil aller gebrauchten Verpackungen wird durch

Unternehmen der Papierindustrie der Verwertung zugeführt. Unter der

Bezeichnung „Getränkekartonverpackungen“ bzw. „Used liquid packa-

ging board“ sind diese Sekundärrohstoffe als Sorte 5.03 der Europäi-

schen Liste von Standardsorten von Altpapier [EN 643] klassifiziert.

Nach Angaben der ACE nutzen in 20 europäischen Ländern Papier-

fabriken diese Altpapiersorte zur Gewinnung von Faserstoffen für die

Erzeugung von Papier- und Kartonprodukten. Typische Produkt-

gruppen für die Wiederverwendung der Faserstoffe sind insbesonder

Papiere bzw. Kartone für Verpackungszwecke.

Der vergleichsweise hohe technologische Gebrauchswert von Papier-

faserstoffen aus gebrauchten KfN resultiert aus der Tatsache, dass die

Rohkartone ausschließlich aus hochwertigen Primärfaserstoffen

gefertigt werden. Verarbeitet werden elementarchlorfrei gebleichte

(ECF) Nadel- und Laubholzzellstoffe, ungebleichte Nadelholzzellstoffe

und Hochausbeutefaserstoffe, die überwiegend nach so genannten

CTMP-Verfahren erzeugt werden.

Im Vergleich zu Sekundärfaserstoffen aus gemischte Altpapieren oder

auch zu Altpapierstoffen aus stark wellpappenhaltigen Altpapiersor-

ten (wie z.B. Kaufhausaltpapieren) zeichnen sich Sekundärfaserstoffe

aus Flüssigkeitskartonverpackungen vor allem durch folgende Eigen-

schaftsmerkmale aus:

L Niedrigerer Entwässerungswiderstand

L Niedrigerer Gehalt an mineralischen Bestandteilen (Füllstoffe,

Strichbestandteile)

L Höhere mittlere längengewichtete Faserlänge.

Die genannten Merkmale bieten gute Voraussetzungen zur Entwick-

lung von vergleichsweise hohen Festigkeitseigenschaften im Papier-

gefüge. Die Faserstoffe finden deshalb vorwiegend für die Fertigung

von Wellpappenrohpapieren oder Hülsenkartonen Verwendung.

Für die Aufbereitung von gebrauchte KfN bewähren sich im interna-

tionalen Maßstab insbesondere Altpapieraufbereitungsanlagen, in

denen für die Zerfaserung und Vorsortierung Trommelsysteme einge-

setzt werden. Insbesondere Anlagen mit höherer Kapazität verfügen

entweder über ein TwinDrum-Auflöse- und Sortiersystem (Voith) oder

über eine FibreFlow-Anlage (Andritz).

Besondere technologische und wirtschaftliche Vorteile der Trommel-

technologie für die Aufbereitung von Flüssigkeitskarton sind:

L niedriger spezifischer Energiebedarf

L geringe Faserverluste

L hohe Anlagenverfügbarkeit und relative geringe Instandhaltungskosten

L großflächige Abtrennung von Folienbestandteilen.

Insbesondere bedingt durch den Aufbau der Packstoffe aus Karton und

verschiedenen Barriereschichten sowie einen relativ hohen mittleren

Feuchtegehalt der gebrauchten Verpackungen liegt die Faserstoffaus-

beute bei etwa 60% (bezogen auf handelsübliches Ausgangsmaterial).

Verwertung von Rejekten aus Kunststoffen und Aluminium

Verpackungsspezifische Grobrejekte der Aufbereitung von Flüssig-

keitskarton bestehen zu rund 80% aus verschiedenen Kunststoffen

und zu rund 20% aus Aluminiumbestandteilen.

Aufgrund des hohen Heizwertes der Kunststoffbestandteile und des

Aluminiumgehaltes werden Reststoffe der Flüssigkeitskartonaufberei-

tung durch die Papierindustrie beispielsweise als Sekundärbrennstoff

bei der Herstellung von Zement energetisch genutzt. Dadurch können

in diesem Wirtschaftsbereich erhebliche Mengen an fossilen Primär-

brennstoffen eingespart werden.

Abb. 10: Verschlussapplikation auf befüllte und

verschlossene Aseptikverpackung 40 Abb. 11: Recycling von gebrauchten KfN nach 41

Graf

ik: A

CE A

ISBL

5/2013 Wochenblatt für Papierfabrikation 313

KARTON

Eine neue Technologie zur umfassenden energetischen und stofflichen Ver-

wertung der Rejekte wurde in der Kartonfabrik Stora Enso Packaging Boards

in Barcelona in Zusammenarbeit mit Alucha Recycling Technologies im-

plementiert. Die vorwiegend aus PE und Aluminium bestehenden Rejekte

werden nach ihrer Abtrennung in der Altpapieraufbereitungsanlage zer-

kleinert, getrocknet und anschließend einem quasi sauerstofffrei arbeiten-

den Pyrolyse-Prozess zugeführt. Das entstehende Gas dient der energeti-

schen Verwertung.

Das neu entwickelte Pyrolyseverfahren arbeitet bei etwa 400°C. Da-

durch liegen die Aluminiumbestandteile in nicht oxidierter Form vor und

können zu hochwertigem Sekundäraluminium verarbeitet werden. 42

Als Mitgliedsfirmen der Alliance for Beverage Cartons and the Environ-

ment (ACE) setzen sich sowohl die Hersteller von Kartonverpackungen

für flüssige Nahrungsmittel Tetra Pak, SIG Combibloc und Elopak als

auch deren europäische Hauptlieferenten von Rohkartonen, Billerud-

Korsnäs und Stora Enso in vielfältiger Weise für ein ressourcenefficien-

tes Recycling ihrer Produkte ein.

Dazu gehören weltweite Initiativen zur Erweiterung und Verbesserung

der Erfassungs- und Sortiersysteme ebenso wie die Förderung von

Entwicklungsprojekten und Investitionen für eine möglichst umfas-

sende stoffliche und energetische Verwertung gebrauchter Karton-

verpackungen für flüssige Nahrungsmittel.

DanksagungDer Beitrag „Kartonverpackungen für flüssige Nahrungsmittel – Hoch-

technologie und Ressourcenschonung“ ist Bestandteil des Fachbuches

Papierverarbeitungstechnik (Hrsg. Prof. Dr.-Ing. Jürgen Blechschmidt).

Es wird dem Carl Hanser Verlag für die freundliche Genehmigung der

Veröffentlichung dieses Fachbeitrages gedankt.

Dank gilt ebenso der Alliance for Beverage and the Environment (ACE),

dem Fachverband für Kartonverpackungen für flüssige Nahrungs-

mittel (FKN) und seinen Mitgliedsunternehmen für die Unterstützung

mit Informationen und Bildmaterial.

Quellenhinweise

1 http://dairyantiques.com/Wax_Milk_Containers.html

2 www.elopak.de/language=de/4204/historie

3 www.tetrapak.com/de/unternehmen/wir_ueber_uns/historie/pages/default.aspx

4 Kirwan, M.J.(Hrsg.): Paper & Paperboard Packaging Technology: Oxford, 2005

5 Leander, L: Tetra Pak – A Vision Becomes Reality; Tetra Pak International S.A.; Pully/CH, 1996

6 www.salzmannbau.com/geschichte-jagenberg.htm

7 http://de.wikipedia.org/wiki/SIG_Combibloc

8 www.getraenkekarton.de/01_seiten/page.php?nid=15

9 www.sig.biz/site/de/sig_combibloc_group/unternehmensprofil/Unternehmensprofil.jsp

10 Quelle: Tralinpack/Greatview

11 www.getraenkekarton.de/01_seiten/img_db.php?cat_id=3

12 www.elopak.de/language=de/3681/board-technologie

13 www.admer.de/aboutadmer/fields.php#coating

14 www.cepicartonboard.com/?section=different_types_of_cartonboard

15 Stora Enso

16 www.tetrapak.com/de/products_and_services/packages/tetra_recart/Pages/

default.aspx

17 www.sig.ch/site/de/kartonpackung/combisafe/combisafe.jsp

18 Tufvesson, H.: The Mechanisms of Edge Wicking in Retortable Paperboard; Licentiate Thesis;

Royal Institute of Technology Department of Fibre and Polymer Technology Division of Fibre

Technology, Stockholm: 2006; TRITA FPT-Report 2006:28; ISSN 1652-2443; ISRN/KTH/FPT/

R-2006/28-SE

19 Blechschmidt, J. (Herausgeber): Taschenbuch der Papierverarbeitungstechnik; Fachbuch-

verlag Leipzig im Carl Hanser Verlag München: 2012

20 Mameli, A., Borsari, R., Costa, S.: Origami with Abaqus, Vortrag SIMULIA Customer Conference,

Rhode Island: 2010

21 www.sig.ch/site/media/pdf/karton/filling_machine_04_09/Machine_DE.pdf

22 Nilsson, M.: Longitudinal sealings in beverage packages - Experimental Testing and Numerical

Parameter Studies; Master’s Dissertation; Structural Mechanics, LTH, Sweden; Lund: 2005

23 www.tetrapak.com/Document%20Bank/Products_and_services/packaging/pa-

ckage_portfolio.pdf

24 www.sig.biz/site/de/kartonpackung/fuellsystem/1_aseptisches_system/Das_asepti-

sche_System.jsp

25 www.elopak.de/language=de/3677/druckverfahren

26 www.tetrapak.com/about_tetra_pak/press_room/news/Pages/investinItalianplant.aspx

27 www.elopak.de/language=de/3677/druckverfahren

28 www.offset-druck-farben.de/download/sktrock.pdf

29 www.offset-druck-farben.de/download/skfarben.pdf

30 www.era.eu.org/upload/SIG_GN164.pdf

31 Lapin, S.C.: Comparison of UV and EB Technology for Printing and Packaging Applications;

Radtech Report, Sept./Oct. 2008

32 Pfeiffer, H.: Weiterverarbeitung von Kunststoffen; Vorlesungsskript FH Hof: 2004

33 Lathi, J., Tuominen, M.: The effects of Corona and Flame treatment: Part I: PE-LD coated

packaging board; Tampere University of Technology; Institute of Paper Converting

34 www.era.eu.org/02/downloads/ERA_apc06_kirchmeier.pdf

35 www.sig.ch/site/media/pdf/karton/filling_machine_04_09/Machine_DE.pdf

36 www.tetrapak.com/de/loesungen_fuer%20experten/aseptikloesungen/aseptisches_ver-

packen/pages/default.aspx

37 www.sig.biz/site/media/pdf/karton/closures_04_09/Closures_conveni-

ence_on_top_DE.pdf

38 www.sig.ch/site/de/kartonpackung/oeffnungssysteme/2_combitop/combiTop.jsp

39 www.elopak.de/language=de/3687/verschluesse

40 www.sig.ch/site/media/pdf/karton/closures_04_09/Closures_conveni-

ence_on_top_DE.pdf

41 www.beveragecarton.eu/en/working-with-nature-2/alias-2/recycling-in-europe

42 http://bestinpackaging.com/2012/02/02/recycling-packaging-material-with-an-alumini-

um-component/

Die Papierverarbeitungstechnik als

Teildisziplin der Verarbeitungstech-

nik nutzt die allgemeinen Gesetz-

mäßigkeiten und Arbeitsmethoden

zur Herstellung von Fertigproduk-

ten aus Papier, Karton und Pappe

(Wellpappe, Hygieneprodukte, Tis-

sue-Produkte, Faltschachteln, Eti-

ketten, Bücher und Broschüren,

Rundgefäße und gewickelte Hül-

sen, flexible Verpackungen, Säcke,

Beutel, Lebensmittelverpackungen).

Die Anzahl der eingesetzten Werk-

stoffe, der genutzten Verfahren

und erzeugten Produkte ist außer-

ordentlich breit und vielgestaltig. Eine besondere Stellung nimmt die

Verpackungstechnik ein, sie ist Bestandteil in jedem Unternehmen.

Der Umsatz der Papierverarbeitenden Industrie pro Jahr beträgt in

Deutschland etwa 20 Mrd. €. Die Papierverarbeitende Industrie hat

etwa 80000 Beschäftigte. Dieses Lehrbuch/Fachbuch schließt seit

langer Zeit wieder ein Lücke auf dem Gebiet der Verarbeitungs-/

Verpackungstechnik.

Papierverarbeitungstechnik. Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. habil.

Jürgen Blechschmidt. 350 Seiten, Broschur. ISBN 978-3-446-43071-6,

Hanser Verlag, 29,95 €/30,80 € (A)/39,90 sFr.

Ratgeber

Papierverarbeitungstechnik