Binghamton University Wissenschaftler entwickeln einen Prozess um Lebensmittelabfall in biobasierte Kunststoffe zu wandeln

Laut dem US-Landwirtschaftsministerium werden 30 % bis 40 % der landesweiten Lebensmittelversorgung verschwendet. Das summiert sich jedes Jahr zu Milliarden Pfund, die auf Deponien verrotten und Treibhausgase wie Methan und Kohlendioxid freisetzen.

Auch Plastik häuft sich weltweit an. Zerfallende Flaschen und Tüten schüren wachsende Befürchtungen, dass Mikroplastik in unsere Wasserversorgung und in unsere Körper gelangt.

Stellen Sie sich vor, nur ein Bruchteil unserer Lebensmittelabfälle könnte in biologisch abbaubares Plastik umgewandelt werden – zwei Probleme würden gelöst und unser Planet langfristig gesünder gemacht werden.

Ein Team der Binghamton University betreibt zu dieser Idee bahnbrechende Forschung und hat kürzlich in der Fachzeitschrift Bioresource Technology einen Artikel veröffentlicht, der grundlegende Erkenntnisse für jedes Unternehmen bietet, das an einer Skalierung des Prozesses interessiert ist.

Tianzheng Liu, der in diesem Herbst seinen Doktortitel erhält, leitete das Projekt mit Unterstützung von Professorin Sha Jin und dem SUNY-Distinguished-Professor sowie Lehrstuhlinhaber Kaiming Ye vom Department für Biomedizinische Technik am Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science.

„Bioresource Technology ist eine hochwertige Fachzeitschrift, und die schnelle Veröffentlichung unterstreicht die Bedeutung dieser Forschung“, sagte Jin. ​„Die Gutachter kommentierten, dass ​‚das Manuskript bedeutenden wissenschaftlichen Wert, Neuartigkeit und ökologische Relevanz‘ aufweist.“

Jin interessierte sich erstmals 2022 für das Thema Lebensmittelverschwendung, als sie einen Zuschuss vom Bundesstaat New York erhielt, um das Problem zu untersuchen.

„Wir können Lebensmittelabfälle als Ressource nutzen, um sie in viele Industrieprodukte umzuwandeln, und biologisch abbaubare Polymere sind nur eines davon“, sagte sie. ​„Unser Ziel ist nicht nur, Lebensmittelabfälle aufzuwerten, sondern auch die Herstellungskosten dieses umweltfreundlichen Polymers zu senken. Es gibt auch andere Optionen, wie die Erzeugung von Biokraftstoffen und Biochemikalien.“

Die derzeitige Herstellung von biologisch abbaubarem Kunststoff kann kostspielig sein, da sie auf raffinierten Zucker als Substrat und auf Reinkulturen von Mikroorganismen angewiesen ist. Im Rahmen dieser Forschung fütterte das Team in Binghamton Cupriavidus necator-Bakterien mit Milchsäure, die aus Lebensmittelabfällen fermentiert wurde (als notwendige Kohlenstoffquelle), und zusätzlichem Ammoniumsulfat (als Stickstoffquelle).

Die Bakterien synthetisieren Polyhydroxyalkanoate (PHA) – Kunststoffe, die als Speicher für Kohlenstoff und Energie dienen. Etwa 90 % des von den Bakterien produzierten PHA können geerntet und zu biologisch abbaubaren Verpackungen und anderen Produkten verarbeitet werden.

Bevor Liu an diesem Projekt mitarbeitete, lag sein biomedizinischer Forschungsschwerpunkt auf Stammzellen. Die richtigen Elemente in den passenden Proportionen zu finden, erwies sich daher als ​„voller Herausforderungen“.

„Die Umwandlung von Lebensmittelabfällen in organische Säuren war relativ einfach. Die Kultivierung der kunststoffproduzierenden Bakterien war dagegen schwierig, weil ich anfangs keine Erfahrung mit der bakteriellen Fermentation zur Herstellung von Biopolymeren hatte“, sagte er. ​„Bei jedem Schritt hatte ich das Gefühl, dass etwas nicht so lief, wie ich es erwartet hatte.“

Jin ist Sodexo und den Binghamton University Dining Services dankbar für die Bereitstellung der Lebensmittelabfälle, die in den Experimenten verwendet wurden.

„Ich sprach mit der Nachhaltigkeitsbeauftragten der Universität und erfuhr, dass SUNY keine Lebensmittelabfälle auf Deponien erlaubt – das ist die Richtlinie“, sagte sie. ​„Jeder Campus soll das Problem selbst lösen. In Binghamton geben die Mensen übrig gebliebenes Essen an Landwirte, um deren Vieh zu füttern. Ich dachte, vielleicht könnten wir versuchen, diese Lebensmittelabfälle direkt in biologisch abbaubare Kunststoffe umzuwandeln. Es gab kaum Informationen in Forschungspublikationen über die Machbarkeit dieser Idee, also dachten wir, das sei vielleicht die Lücke, an der wir arbeiten könnten.“

Das Team in Binghamton beantwortete einige kritische Fragen für den Prozess der Umwandlung von Lebensmitteln in Kunststoff. Zum Beispiel können Lebensmittelabfälle mindestens eine Woche lang gelagert werden, ohne den Biokonversionsprozess zu beeinträchtigen – das bietet Flexibilität für die industrielle Sammlung. Das Team ermittelte auch, ob die Biokonversion von bestimmten Lebensmittelarten abhängt und wie mit den verschiedenen Arten von Abfällen umgegangen werden kann, die in einem Sammelzentrum anfallen.

„Wir haben festgestellt, dass der Prozess sehr robust ist, solange wir verschiedene Arten von Lebensmitteln im gleichen Verhältnis mischen“, sagte Jin. ​„Wir kontrollieren Temperatur und pH-Wert während der Fermentation, und diese Bedingungen fördern das Wachstum von Bakterien, die organische Säuren produzieren.“

Selbst für den festen Rückstand, der nach dem Fermentationsprozess übrig bleibt, hat sie Pläne. Er sieht aus wie eine Paste, und das Team entwickelt ihn zu organischem Dünger als bessere Alternative zu herkömmlichen chemischen Mischungen.

Als nächsten Schritt möchte Jin den Prozess skalieren, um sicherzustellen, dass er auch bei steigender Kunststoffproduktion wie erwartet funktioniert. Das bedeutet, weitere Fördermittel einzuwerben oder eine Partnerschaft mit einem Industrieunternehmen einzugehen.