Folien und Beschichtungen aus chitinhaltigen Reststoffen
Das Biopolymer Chitin wird als Strukturmaterial vor allem von Krustentieren, Insekten und Pilzen gebildet und ist – nach der pflanzlichen Cellulose – das zweithäufigste Biopolymer auf der Erde. Aufgrund seines Stickstoffgehalts wird Chitin bereits als Dünger und Bodenverbesserer in der Landwirtschaft eingesetzt oder zur Herstellung von Chitosan. Kommerziell genutzt wird bisher allerdings nur Chitin, welches aus Krabbenschalen gewonnen wird. Doch in der Lebensmittelindustrie und Biotechnologie fallen weltweit zunehmend weitere Hunderttausende von Tonnen chitinhaltiger Reststoffe an: Insektenhäute aus der Insektenproteinherstellung, Myzelrückstände aus der Fermentation mit Pilzen oder Schnittabfälle aus der Pilzzucht.
Forschenden am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es nun gelungen, auch die Exoskelette von Insekten sowie myzelhaltige Reststoffe aus der Pilzfermentation als Chitinquelle zur Herstellung von Chitosan zu erschließen. Hierzu hat das Institut eine Prozesskette zur Aufbereitung von Chitin etabliert, in der Rest- und Abfallströme nach dem Prinzip einer Bioraffinerie aufbereitet und in Wertstoffe umgewandelt werden.
Schonende Extraktion von Chitin aus unterschiedlichen Quellen
Die Zusammensetzung der chitinhaltigen Reststoffe unterscheidet sich von Organismus zu Organismus. Krabbenschalen- und Insektenchitin etwa muss von Kalkeinlagerungen und Proteinen befreit werden, während Chitin in Pilzmyzel oft an Glukane gebunden vorliegt. »Wir haben unsere Prozesse zur Extraktion von Chitin an die verschiedenen Reststoffe angepasst und die erforderlichen Trenn- und Aufbereitungsschritte an die jeweilige chemische Zusammensetzung adaptiert«, erklärt Dr. Thomas Hahn, der seit vielen Jahren die Aufbereitung von Chitin am Fraunhofer IGB untersucht. Dazu gehörte auch, Analysemethoden zur Beurteilung der Aufbereitungserfolgs zu entwickeln oder zu verfeinern. Denn erst die Kenntnis der genauen chemischen Zusammensetzung der chitinhaltigen Biomassen erlaubt eine abgestimmte Aufbereitung des wertvollen Rohstoffs. Mit neu etablierten Analysemethoden kontrolliert der Forscher so den Chitingehalt der Zwischenprodukte nach jedem einzelnen Aufreinigungsschritt.
Nachhaltig und wirtschaftlich zugleich
Damit die chemisch-physikalischen Eigenschaften von Chitin erhalten bleiben, sollte es möglichst schonend aus der restlichen Biomasse abgetrennt werden. Hahn setzt daher vorzugsweise wässrige Medien ein oder greift auf Enzyme zurück, um Verunreinigungen selektiv entfernen zu können. Damit die spätere industrielle Umsetzung auch wirtschaftlich ist, bewertet und optimiert der Chemiker die einzelnen Prozessschritte bereits im Labormaßstab hinsichtlich einer Aufskalierung. »Wenn sich beispielsweise Lösungsmittel, Reagenzien oder Waschwasser reduzieren oder im Kreis führen lassen, wirkt sich das positiv auf die Kosten des Gesamtverfahrens aus«, weiß Hahn.
Optimierte Konversion von Chitin zu Chitosan
Das wasserlösliche und daher vielseitig einsetzbare Chitosan entsteht durch Deacetylierung von Chitin. Doch die Herstellung von Chitosan aus Chitin ist nicht trivial und erfordert chemisches Fingerspitzengefühl und Erfahrung. Üblicherweise verläuft der Prozess bei hohen Temperaturen und unter chemisch drastischen Bedingungen. »Im Laufe unserer langjährigen Forschungsarbeiten konnten wir die Reaktionsbedingungen abmildern, weiter optimieren und die Ausbeute steigern«, so Hahn. Mit entsprechenden Aufreinigungsschritten erzielt der Chemiker Chitosan mit mehr als 90 Prozent Reinheit – aus Krabbenschalen ebenso wie aus Pilzmyzel und Insektenhäuten.
Die anschließende Analyse von Molekulargewicht, Deacetylierungs- und Reinigungsgrad des jeweiligen Chitosanprodukts liefert bereits erste Hinweise auf mögliche Anwendungen. Im eigens entwickelten Lösungsmittelguss-Plattentest, bei dem Filmbildung und Quellfähigkeit geprüft werden, spürt Hahn auch eventuelle Inkompatibilitäten mit Quervernetzern auf.
Chitosan: Vielfältig einsetzbares Biopolymer als Ersatz für erdölbasierte Polymere
Chitosan ist äußerst vielseitig: Es wirkt antibakteriell und geruchshemmend, hat haft- und viskositätsregulierende Eigenschaften, kann Filme bilden – und ist vollständig biologisch abbaubar. Aufgrund seiner antimikrobiellen sowie hämostatischen Eigenschaften und ausgezeichneten Biokompatibilität wird Chitosan in Wundauflagen eingesetzt; die Fähigkeit, Feuchtigkeit zu speichern, macht sich die Kosmetikindustrie bereits zunutze – in Form feuchtigkeitsspendender und hautpflegender Komponenten in Cremes und Lotionen.
Da das Biopolymer Bindestellen für weitere Funktionalitäten oder Moleküle bereitstellt, hat Hahn es in institutsinterner Zusammenarbeit zudem auf verschiedene Art und Weise modifiziert. So kann es als Matrix für eine fluorfreie Hydrophob-Ausrüstung von Textilien dienen oder als biobasiertes Flockungsmittel zur Aufbereitung komplexer Abwässer.
Die Fähigkeit Filme zu bilden, prädestiniert das Biopolymer für Beschichtungen und Folien, um Polymere auf Erdölbasis zu ersetzen. Hergestellt hat Hahn transparente Folien nach Zusatz von biobasierten Vernetzern. »Aufgrund ihrer ausgewogenen Elastizität und Transparenz eignen sich Chitosan-Folien hervorragend als nachhaltige, biobasierte und bioabbaubare Einwegverpackung, z. B. in der Lebensmittelindustrie«, erläutert Hahn. Ein weiterer Vorteil: Mit der industriellen Nutzung lokal verfügbarer Ressourcen können fossile Rohstoffe ersetzt und Abhängigkeiten von internationalen Lieferketten reduziert werden.