Folien und Beschichtungen aus chitinhaltigen Reststoffen

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Bei der Verarbeitung von Krustentieren aus der Fischerei, der Herstellung
von Insektenprotein oder der Pilzzucht fallen große Mengen chitinhaltiger
Reststoffe an. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB hat eine Prozesskette zur Aufbereitung von Chitin
etabliert, um diese Abfallströme wertschöpfend zu verwerten. Die
Technologien ermöglichen die Herstellung von hochreinem Chitosan, das sich
unter anderem für nachhaltige Beschichtungen einsetzen lässt. Aus Chitosan
hergestellte transparente Folien eignen sich als bioabbaubare
Einwegverpackungen und könnten Kunststoffe aus Erdöl ersetzen.

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.

CHITIN [C8H13NO5] _shelter: Textile Design-Prototypen aus gesponnenen
Chitosanfäden

Inspiriert von der natürlichen Herkunft und den Eigenschaften des
Materials, erkundete das Designteam von SurrealLabor Chitosan als Rohstoff
für Textilanwendungen. In dem vom Fraunhofer-Netzwerk »Wissenschaft, Kunst
und Design« geförderten Projekt CHITIN [C8H13NO5] _shelter« und mit
wissenschaftlicher Unterstützung von Thomas Hahn spannen sie Chitosanfäden
an einer eigens zu diesem Zweck gebauten Laboranlage mittels Extrusions-
und Wetspinning-Verfahren und verarbeiteten sie zu einem textilen Gewebe
als Design-Prototypen. Mit der Herstellung, Weiterentwicklung und
Optimierung der Chitosan-Spinning-Produktion will das Team eine neue,
biobasierte Ressource für die Textilindustrie erschließen und zu einer
Vision der Kreislaufwirtschaft von morgen beitragen.