Bioraffinerie zur Herstellung von hochwertigem Chitosan Folien aus Schrimps-Schalen und Pilzabfällen

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Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Biover- fahrenstechnik (IGB)

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Was haben Krebsschalen, Insektenhüllen und Schnittabfälle aus der Pilzzucht gemeinsam? Sie alle enthalten Chitin. Bislang werden die chitinhaltigen Abfälle größtenteils entsorgt. Doch Fraunhofer Forscher gewinnen aus diesen Resten ein Biopolymer, was u.a. für nachhaltige Einwegverpackungen in der Lebensmittelindustrie genutzt werden kann.

Bei der Verarbeitung von Krustentieren aus der Fischerei, der Herstellung von Insektenprotein oder der Pilzzucht fallen große Mengen chitinhaltiger Reststoffe an. Das Biopolymer Chitin ist – nach der pflanzlichen Cellulose – das zweithäufigste Biopolymer auf der Erde und fungiert als Strukturmaterial, z. B. in den Schalen von Krebsen oder der Hülle von Käfern. Aufgrund seines Stickstoffgehalts wird Chitin bereits als Dünger und Bodenverbesserer in der Landwirtschaft eingesetzt oder zur Herstellung von Chitosan. Kommerziell nutzen Unternehmen bisher allerdings nur Chitin, das 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.

Bunt und bioabbaubar: Crustacea-Chitin-basierte Pigmente

Drucken wir bald bunte Bilder aus Krabbenpanzern?

Schonende Extraktion von Chitin aus unterschiedlichen Quellen

Die Zusammensetzung der chitinhaltigen Reststoffe unterscheidet sich von Organismus zu Organismus. Krabbenschalen- und Insektenchitin etwa müssen 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.

Zur Prozessanpassung gehörte auch, Analysemethoden zur Beurteilung des Aufbereitungserfolgs zu entwickeln oder zu verfeinern. Denn erst die Kenntnis der genauen chemischen Zusammensetzung der chitinhaltigen Biomassen erlaubt eine abgestimmte Aufbereitung des Rohstoffs. Mit neu etablierten Analysemethoden kontrolliert der Forscher 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 zu entfernen.

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“, sagt der IGB-Forscher.

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“, betont 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.

Geeignet für Wundauflage, Regenjacke und Lebensmittelverpackung

Chitosan ist 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 seiner Biokompatibilität wird Chitosan in Wundauflagen eingesetzt. Die Fähigkeit, Feuchtigkeit zu speichern, nutzt die Kosmetikindustrie bereits – 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 (Stichwort: PFAS-freie Funktionskleidung) 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. Hahn hat bereits transparente Folien nach Zusatz von biobasierten Vernetzern hergestellt. „Aufgrund ihrer ausgewogenen Elastizität und Transparenz eignen sich Chitosan-Folien hervorragend als nachhaltige, biobasierte und bioabbaubare Einwegverpackung, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie“, erläutert der Forscher. Ein weiterer Vorteil: Mit der industriellen Nutzung lokal verfügbarer Ressourcen können fossile Rohstoffe ersetzt und Abhängigkeiten von internationalen Lieferketten reduziert werden.

Design-Prototypen aus gesponnenen Chitosanfäden

Inspiriert von der natürlichen Herkunft und den Eigenschaften des Materials, testete das Designteam von Surreal Labor Chitosan als Rohstoff für Textilanwendungen. In dem vom Fraunhofer-Netzwerk „Wissenschaft, Kunst und Design“ geförderten Projekt Chitin [C8H13NO5] _shelter und mit wissenschaftlicher Unterstützung von 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 biobasierte Ressource für die Textilindustrie erschließen und zu einer Vision der Kreislaufwirtschaft von morgen beitragen.

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