Biopolymer Folien aus chitinhaltigen Reststoffen

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

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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 entwickelt, um Chitin aufzubereiten. Mit diesen Technologien lässt sich hochreines Chitosan herstellen, das sich unter anderem für nachhaltige Beschichtungen einsetzen lässt.

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 haben eine Prozesskette entwickelt, um nun auch die Exoskelette von Insekten sowie myzelhaltige Reststoffe aus der Pilzfermentation als Chitinquelle zur Herstellung von Chitosan zu erschließen. Innerhalb dieser Prozesskette werden Rest- und Abfallströme nach dem Prinzip einer Bioraffinerie aufbereitet und in Wertstoffe umgewandelt.

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.

Dr. Thomas Hahn

Chitin schonend gewinnen

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 zu entwickeln, um den Aufbereitungserfolg zu beurteilen. 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.

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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.

Chitosan mit mehr als 90 Prozent Reinheit

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.
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.