Wissenswertes über Zellulose

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Wissenswertes über Zellulose

Wissenswertes über Zellulose

Nachhaltige Materialien, die als Alternative zu Plastik im Verpackungsbereich eingesetzt werden, basieren sehr häufig auf Zellulose: Holzbesteck, Palmblattschalen oder Strohhalme aus Weizenstroh werden direkt aus zellulosereichen Naturmaterialien hergestellt, Teller und Becher aus Pappe durchlaufen einen etwas aufwändigeren Herstellungsprozess, basieren aber letztlich ebenfalls auf Holz. Einkaufsbeutel und Bindfäden aus Baumwolle, Jute oder Bast sind praktisch pure pflanzliche Zellulosefasern. Die durchsichtige, knisternde Zellophanfolie schließlich entsteht durch chemische Umwandlung aus einem Zellulosefaserbrei.

Aber was ist Zellulose eigentlich, wo kommt sie her – und was macht zellulosebasierte Materialien zu einer so nachhaltigen Alternative nicht nur für Kunststoffe auf Erdölbasis, sondern auch für andere Bio-Verpackungen?


1. Was ist Zellulose?

1.1 Von Alge bis Zirbelkiefer: Der Baustoff aller Pflanzen

Zellulose ist der wichtigste Bestandteil pflanzlicher Biomasse und damit das auf der Welt mit Abstand häufigste Biomolekül. Alle Pflanzen von der winzigen einzelligen Alge bis zur imposanten Zirbelkiefer bilden die Wände ihrer Zellen aus Zellulose. Die Zellulose-Makromoleküle geben der Umhüllung jeder einzelnen pflanzlichen Zelle Form und Festigkeit – und bilden lange Fasern, mit deren Hilfe auch große Strukturen wie Stengel und Äste ihren stabilen Zusammenhalt erlangen (zur Festigkeit von Holz trägt überdies der Holzstoff Lignin bei).


1.2 Holz, Papier und mehr: Welche Materialien bestehen aus Zellulose?

Zellulose aus verschiedenen natürlichen Quellen hat die menschliche Kultur bereits seit ihren frühesten Anfängen als Rohstoff begleitet. Reich an Zellulose sind Papier, Pappe und der Papyrus der Antike, die Naturfasern Baumwolle, Flachs, Jute, Hanf und Bast sowie pflanzliche Bau- und Hilfsmaterialien wie Holz, Bambus, Schilf, Stroh oder Palmblätter.

Heute findet sich in vielen Materialien auch chemisch und physikalisch veränderte Zellulose: zum Beispiel in den Kunstfasern Viskose und Lyocell, in den Kunststoffen Zelluloid und Zellophan bzw. in diversen Verdickungsmitteln, Stabilisatoren oder Beschichtungen der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie.


2. Woraus besteht Zellulose?

Zellulose besteht aus nichts weiter als Zucker: Jedes Zellulosemolekül ist eine lange, unverzweigte Kette von Glukosemolekülen. Typischerweise enthält ein Zellulosemolekül mehrere tausend Glukoseeinheiten.

2.1 Zellulose Verdauung – warum wir uns nicht von Zellulose ernähren können

Obwohl Zellulose ganz genauso wie Stärke (das Kohlenhydrat im Mehl) aus Glukosemolekülen besteht, sind diese im Zellulosemolekül anders miteinander verbunden als im Stärkemolekül. Dieser kleine, aber enorm weitreichende Unterschied macht Zellulose für uns – und ebenso für fast alle anderen Tierarten mit Ausnahme einiger Termiten und Schnecken – vollkommen ungenießbar: Wir haben kein Verdauungsenzym, das Zellulose in seine Zuckermoleküle aufspalten könnte. Deshalb sind Gras oder Blätter für uns keine Kohlenhydratquellen. (Salat ist aber trotzdem - oder gerade deswegen - gesund!)

Wiederkäuer können Zellulose mithilfe der in ihrem Verdauungssystem lebenden zellulosespaltenden Mikroorganismen nutzen. Und für uns ist Zellulose immerhin ein wichtiger Ballaststoff, der unsere Darmflora glücklich macht.


3. Zellulose Herstellung

Das Gute an Zellulose: Sie wird von Pflanzen hergestellt – vollkommen umweltneutral! Vielfach können wir zellulosehaltige Materialien bereits in ihrer praktisch unveränderten Naturform verwenden. Das wichtigste Beispiel ist hier natürlich Holz, das direkt als Bau- und Konstruktionsholz, für Möbel und viele andere Zwecke verwendet werden kann. Fast ebenso bedeutsam für die Menschheit ist Baumwolle – die geernteten Fasern können nach einer manuellen Reinigung direkt zu Garn versponnen werden. Aber auch für Stroh und Schilf – historisch zum Beispiel zum Eindecken von Dächern und ganz aktuell als ebenso nachhaltiger wie höchst funktionaler Dämmstoff – für Bambusrohr oder für Palmblätter kennen die Kulturen, in denen diese Rohstoffe häufig sind, ein phantastisches Spektrum von Verwendungsmöglichkeiten.

Andere Materialien werden durch Bearbeitung pflanzlicher Ausgangsstoffe gewonnen. Zu diesen Verfahren zählen das Kochen oder Dämpfen von Holzspänen oder die kontrollierte Rotte (auch Tau- oder Feldröste genannt) von Nutzhanf-, Flachs- oder Jutestengeln, durch die Zellulosefasern von den sonstigen Bestandteilen der Pflanze getrennt werden.


3.1 Industrielle Herstellung von Zellulose aus Holz

Industriell produzierte reine oder fast reine Zellulose wird Zellstoff genannt. Ausgangsstoff ist in der Regel Holz, andere Rohstoffe wie Stroh oder Reste aus der Baumwollproduktion kommen in geringerem Umfang zum Einsatz. Bei der Zellstoffherstellung aus geschnitzeltem Holz werden die Hackschnitzel in einer chemikalienhaltigen Lösung gekocht, die die Zellulosefasern von den anderen Holzbestandteilen (in erster Linie dem Lignin) lösen soll. Nach den eingesetzten Chemikalien unterscheidet man Sulfatverfahren (zugesetzt wird Natriumsulfat, das sogenannte Glaubersalz) und Sulfitverfahren (hier erfolgt der Faseraufschluss durch Sulfitverbindungen, z.B. Calciumhydrogensulfit oder Magnesiumbisulfit). Der weit überwiegende Teil der Zellstoff-Weltproduktion (etwa 95 %) wird im Sulfatverfahren hergestellt.

Zellstoff dient in erster Linie als Rohstoff zur Herstellung von Papier und Karton, aber auch als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Viskosefasern. Die globale Zellstoffproduktion liegt bei jährlich etwa 180 Millionen Tonnen.


4. Enorme Bedeutung von Zellulose als nachwachsender Rohstoff in der Kreislaufwirtschaft

Zellulose ist gespeicherte Sonnenenergie und gebundenes Kohlendioxid. Durch Photosynthese (die von Lichtenergie angetriebene Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Zucker und Sauerstoff) bindet die Pflanzenwelt der Erde jährlich um die 200 Milliarden Tonnen Kohlendioxid und produziert aus den dabei entstehenden Zuckern letztlich um die 1,5 Billionen Tonnen Zellulose.

Mit dem zunehmenden Interesse am nachhaltigen Wirtschaften hat auch die Bedeutung von Zellulose noch einmal zugenommen: Zellulosereiche Materialien haben nicht nur viele praktische Eigenschaften und einen hohen Energiegehalt – Zellulose hat auch das Zeug dazu, der nachwachsende Rohstoff Nummer eins in einer Kreislaufwirtschaft zu sein, mit der die Menschheit dem Klimawandel begegnen kann.

Die Forschung an innovativen zellulosebasierten Materialien erschließt dem Naturstoff immer neue Anwendungsfelder. Vom Treibstoff Zellulose-Ethanol bis zum Leichtbau-Verbundwerkstoff Purcell, von der umweltfreundlicheren Viskose-Alternative Lyocell bis zum Hightech-Werkstoff Nanozellulose – von Zellulose werden wir in Zukunft mit Sicherheit noch viel mehr hören.


4.1 Zellulosehaltige Materialien sind oft gut recycelbar

Die blaue Papiertonne ist aus unseren Höfen nicht mehr wegzudenken – und demonstriert die gute Recyclingbilanz von Papier und Pappe: Recyclingpapier erreicht mittlerweile eine Qualität, die der von Papier aus Frischfaser praktisch nicht mehr nachsteht. 78 % des deutschen Papierverbrauchs wurde 2019 dem Recycling zugeführt, und genau der gleiche Prozentsatz beschreibt auch die Altpapiereinsatzquote der deutschen Papierindustrie. Mit anderen Worten: Papierrecycling funktioniert hier und heute bereits hervorragend – während wir beim Plastikrecycling immer noch vor vielen praktischen Problemen stehen.

Altholz lässt sich zu Spanplatten recyceln – hier sieht die Bilanz momentan allerdings weniger eindrucksvoll aus: Nur 20 % des in Deutschland anfallenden Altholzes werden stofflich wiederverwertet; der Rest wird verbrannt. Aber selbst gegen die Nutzung von Altholz als Energie- oder Wärmequelle ist vom Klimastandpunkt aus wesentlich weniger einzuwenden als gegen das Verheizen fossiler Brennstoffe.

Das Recycling von Zellulosefasern wie Baumwolle steckt dagegen noch in den Kinderschuhen. Gerade erst gelang deutschen Forschern die Herstellung von vollwertigen Viskosefasern aus alter Baumwollbekleidung. Es bleibt zu hoffen, dass aus diesen Anfängen eine florierende Recyclingindustrie entsteht, die die Produkte von Fast Fashion endlich einer echten Wiederverwertung zugänglich macht.


4.2 ... und immer kompostierbar!

Aber auch, wenn Recycling nicht möglich ist oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht stattfinden kann: Zellulosereiche Materialien sind kein abfallwirtschaftliches Problemkind, da sie von Mikroorganismen zu letztlich sogar wertvollem Humus, Kohlendioxid und Mineralverbindungen abgebaut werden.

Chemisch unveränderte Zellulose, wie sie in Papier, Pappe, Holz- oder Bambusabfällen, Baumwoll-, Jute-, Flachs- oder Bastfasern vorliegt, ist problemlos kompostierbar. Und sogar chemisch modifizierte Zellulose ist keine Hürde für hungrige Kompostorganismen: Der zellulosebasierte Kunststoff Zellophan wird ebenso problemlos abgebaut wie Viskose- oder Lyocellfasern.

Einwegteller - Pappteller Ø 23cm weiß (100 Stück)




5. Welche nachhaltigen Einwegprodukte werden aus Zellulose hergestellt?

Zu den zellulosebasierten Einwegprodukten gehören

  • Besteck und Geschirr aus Holz
  • Besteck und Geschirr aus reinem Bambus (nicht zu verwechseln mit den wenig nachhaltigen bambusfaserhaltigen Kunststoffen)
  • Strohhalme aus Weizenstroh
  • Geschirr aus gepressten Palmblättern
  • Geschirr aus Zuckerrohr-Pulpe
  • Geschirr aus Weizenkleie
  • transparente Tüten und Verpackungsfolien aus Zellophan
  • und natürlich die klassischen Pappteller, Wurstpappen und Pappbecher


5.1 Nachhaltigkeitsbilanz von Zellulose im Vergleich mit anderen umweltbewussten Verpackungsmaterialien

Im Vergleich mit Biokunststoffen aus Polymilchsäure (PLA) haben zellulosebasierte Einwegprodukte unter anderem den großen Vorteil der problemlosen Kompostierbarkeit – vorausgesetzt, das Geschirr ist nicht mit Kunststoffharzen beschichtet oder getränkt. Je naturnaher die Produkte sind, desto weniger energieintensiv ist ihre Herstellung im Vergleich mit der von Biokunststoffen. Allerdings ist auch die wasser-, chemikalien- und energieintensive Papierproduktion aus frischem Holz ökologisch nicht unbedenklich – um so wichtiger ist hier das Recycling.

Auch der Vergleich zellulosebasierter Einwegprodukte mit essbaren Verpackungen fällt recht günstig aus: Erstere werden in der Regel aus Rohstoffen hergestellt, die als Lebensmittel ungeeignet sind (Holz, Palmblätter) oder bei der Produktion von Lebensmitteln als Abfall entstehen (Zuckerrohr-Pulpe, Weizenkleie). Damit steht ihre Produktion nicht in einer eventuell fragwürdigen Konkurrenz zur Herstellung von echten Lebensmitteln, sondern ist sogar dazu geeignet, die Verwertung von Getreide oder Zuckerrohr sinnvoll zu intensivieren.

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