Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat eine Prozesskette entwickelt, die chitinhaltige Reststoffe aus der Fischerei, der Insektenproteinherstellung und der Pilzzucht nach dem Prinzip einer Bioraffinerie in Wertstoffe umwandelt. Im Mittelpunkt steht die Herstellung von hochreinem Chitosan, das sich als bioabbaubares Biopolymer für Beschichtungen, Folien und weitere Anwendungen eignet.
Chitin ist – nach pflanzlicher Cellulose – das zweithäufigste Biopolymer auf der Erde und wird als Strukturmaterial von Krustentieren, Insekten und Pilzen gebildet. Bisher beschränkte sich die kommerzielle Nutzung auf Chitin aus Krabbenschalen. Dem Fraunhofer IGB ist es nun gelungen, auch Insektenexoskelette und myzelhaltige Reststoffe aus der Pilzfermentation als Chitinquellen zu erschließen.
Quellenspezifische Extraktion sichert Chitosan-Qualität
Chitosan entsteht durch Deacetylierung von Chitin und ist aufgrund seiner Wasserlöslichkeit vielseitig einsetzbar. Die Zusammensetzung chitinhaltiger Reststoffe variiert je nach Organismus erheblich: Krabbenschalen- und Insektenchitin muss von Kalkeinlagerungen und Proteinen befreit werden, während Chitin in Pilzmyzel häufig an Glukane gebunden vorliegt. Dr. Thomas Hahn, der seit vielen Jahren die Aufbereitung von Chitin am Fraunhofer IGB untersucht, hat die Extraktionsprozesse an diese unterschiedlichen Ausgangsmaterialien angepasst: „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.“
Um die chemisch-physikalischen Eigenschaften des Rohstoffs zu erhalten, setzt Hahn bevorzugt wässrige Medien ein oder greift auf Enzyme zurück, die Verunreinigungen selektiv entfernen. Neu entwickelte und verfeinerte Analysemethoden erlauben die Kontrolle des Chitingehalts nach jedem einzelnen Aufreinigungsschritt. Bereits im Labormaßstab bewertet und optimiert der Chemiker die Prozessschritte im Hinblick auf eine spätere Aufskalierung: Lassen sich Lösungsmittel, Reagenzien oder Waschwasser reduzieren oder im Kreislauf führen, verbessert das die Wirtschaftlichkeit des Gesamtverfahrens.
Durch optimierte Reaktionsbedingungen – milder als die üblicherweise eingesetzten hohen Temperaturen und chemisch drastischen Verfahren – sowie gezielte Aufreinigungsschritte erzielt Hahn Chitosan mit mehr als 90 Prozent Reinheit, und zwar aus Krabbenschalen ebenso wie aus Pilzmyzel und Insektenhäuten. Molekulargewicht, Deacetylierungs- und Reinigungsgrad des jeweiligen Produkts werden anschließend analysiert, um erste Hinweise auf geeignete Anwendungen zu gewinnen. Ein eigens entwickelter Lösungsmittelguss-Plattentest prüft Filmbildung und Quellfähigkeit und spürt Inkompatibilitäten mit Quervernetzern auf.
Chitosan als bioabbaubares Material für Verpackung und Textil
Chitosan wirkt antibakteriell und geruchshemmend, verfügt über haft- und viskositätsregulierende Eigenschaften, kann Filme bilden und ist vollständig biologisch abbaubar. Diese Kombination macht das Biopolymer zu einem funktionalen Ersatz für erdölbasierte Polymere in mehreren Anwendungsfeldern. In der Medizin wird Chitosan aufgrund seiner antimikrobiellen und hämostatischen Eigenschaften sowie seiner Biokompatibilität in Wundauflagen eingesetzt; die Kosmetikindustrie nutzt seine feuchtigkeitsspeichernden Eigenschaften in Cremes und Lotionen.
Da Chitosan Bindestellen für weitere Funktionalitäten oder Moleküle bereitstellt, hat Hahn es in institutsinterner Zusammenarbeit auf verschiedene Weise modifiziert: als Matrix für eine fluorfreie Hydrophob-Ausrüstung von Textilien sowie als biobasiertes Flockungsmittel zur Aufbereitung komplexer Abwässer. Seine Filmbildungsfähigkeit macht Chitosan besonders geeignet für Beschichtungen und Folien. Transparente Folien, die Hahn nach Zusatz von biobasierten Quervernetzern hergestellt hat, zeichnen sich durch ausgewogene Elastizität und Transparenz aus: „Aufgrund ihrer ausgewogenen Elastizität und Transparenz eignen sich Chitosan-Folien hervorragend als nachhaltige, biobasierte und bioabbaubare Einwegverpackung, z. B. in der Lebensmittelindustrie.“ Ein weiterer Vorteil liegt in der Nutzung lokal verfügbarer Ressourcen, die fossile Rohstoffe ersetzen und Abhängigkeiten von internationalen Lieferketten verringern.
Das Potenzial von Chitosan als Textilfaser erkundet das Designteam von SurrealLabor im Projekt CHITIN [C8H13NO5] _shelter, das vom Fraunhofer-Netzwerk „Wissenschaft, Kunst und Design“ gefördert wird. Mit wissenschaftlicher Unterstützung von Thomas Hahn spannen die Designerinnen und Designer Chitosanfäden an einer eigens gebauten Laboranlage mittels Extrusions- und Wetspinning-Verfahren und verarbeiten sie zu einem textilen Gewebe als Design-Prototypen. Ziel ist es, eine neue biobasierte Ressource für die Textilindustrie zu erschließen und zur Kreislaufwirtschaft beizutragen.
