Pellicole e rivestimenti realizzati con residui contenenti chitina
Bioraffineria per la lavorazione della chitina e la produzione di chitosano di alta qualità
La lavorazione dei crostacei provenienti dalla pesca, la produzione di proteine di insetti o la coltivazione di funghi generano grandi quantità di residui contenenti chitina. L'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB ha messo a punto una catena di processi per il trattamento della chitina, al fine di utilizzare questi flussi di scarti con un valore aggiunto. Le tecnologie consentono di produrre chitosano di elevata purezza, che può essere utilizzato, tra l'altro, per rivestimenti sostenibili. Le pellicole trasparenti realizzate con il chitosano sono adatte come imballaggi monouso biodegradabili e potrebbero sostituire le plastiche ricavate dal petrolio greggio.
Il biopolimero chitina si forma come materiale strutturale principalmente da crostacei, insetti e funghi ed è il secondo biopolimero più comune sulla terra dopo la cellulosa vegetale. Grazie al suo contenuto di azoto, la chitina viene già utilizzata come fertilizzante e ammendante in agricoltura o per la produzione di chitosano. Finora, tuttavia, solo la chitina estratta dai gusci dei granchi è stata utilizzata a livello commerciale. Tuttavia, l'industria alimentare e le biotecnologie producono sempre più spesso centinaia di migliaia di tonnellate di residui contenenti chitina in tutto il mondo: pelli di insetti dalla produzione di proteine di insetti, residui micelici dalla fermentazione con funghi o scarti di potatura dalla coltivazione di funghi.
I ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ingegneria interfacciale e la biotecnologia IGB sono ora riusciti a utilizzare gli esoscheletri degli insetti e i residui contenenti micelio della fermentazione fungina come fonte di chitina per la produzione di chitosano. A tal fine, l'istituto ha creato una catena di processo per la preparazione della chitina, in cui i flussi residui e di scarto vengono trattati secondo il principio della bioraffineria e convertiti in materiali di valore.
I film di chitosano sono molto adatti per le applicazioni di imballaggio grazie alla loro elasticità e trasparenza bilanciate.
© Fraunhofer IGB
Estrazione delicata della chitina da varie fonti
La composizione dei residui contenenti chitina varia da organismo a organismo. La chitina dei gusci di granchio e degli insetti, ad esempio, deve essere liberata dai depositi di calcio e dalle proteine, mentre la chitina dei miceli fungini è spesso legata ai glucani. "Abbiamo adattato i nostri processi di estrazione della chitina ai vari residui e abbiamo adattato le fasi di separazione e lavorazione necessarie alla rispettiva composizione chimica", spiega il dottor Thomas Hahn, che da molti anni studia la lavorazione della chitina presso il Fraunhofer IGB. Questo include anche lo sviluppo o il perfezionamento di metodi analitici per valutare il successo della lavorazione. Solo conoscendo l'esatta composizione chimica della biomassa contenente chitina è possibile armonizzare la lavorazione di questa preziosa materia prima. Il ricercatore utilizza metodi analitici di nuova concezione per controllare il contenuto di chitina dei prodotti intermedi dopo ogni singola fase di purificazione.
Sostenibile ed economico allo stesso tempo
Per preservare le proprietà chimico-fisiche della chitina, è necessario separarla dalla biomassa rimanente nel modo più delicato possibile. Hahn preferisce quindi utilizzare mezzi acquosi o enzimi per rimuovere selettivamente le impurità. Per garantire che la successiva implementazione industriale sia anche economica, il chimico valuta e ottimizza le singole fasi del processo su scala di laboratorio per quanto riguarda la scalabilità. "Se, ad esempio, è possibile ridurre o ricircolare i solventi, i reagenti o l'acqua di lavaggio, ciò ha un effetto positivo sui costi del processo complessivo", spiega Hahn.
Conversione ottimizzata della chitina in chitosano
Il chitosano, solubile in acqua e quindi versatile, viene prodotto per deacetilazione della chitina. Tuttavia, la produzione di chitosano dalla chitina non è banale e richiede finezza chimica ed esperienza. Il processo avviene solitamente ad alte temperature e in condizioni chimicamente drastiche. "Nel corso dei nostri molti anni di ricerca, siamo riusciti a mitigare le condizioni di reazione, a ottimizzarle ulteriormente e ad aumentare la resa", spiega Hahn. Con opportune fasi di purificazione, il chimico ottiene chitosano con una purezza superiore al 90% - da gusci di granchio, micelio fungino e pelle di insetto.
La successiva analisi del peso molecolare, del grado di deacetilazione e della purificazione del rispettivo prodotto a base di chitosano fornisce già le prime indicazioni sulle possibili applicazioni. Con il test della piastra di colata in solvente, appositamente sviluppato per testare la formazione del film e la capacità di rigonfiamento, Hahn individua anche eventuali incompatibilità con i reticolanti.
Chitosano: biopolimero versatile in sostituzione dei polimeri derivati dal petrolio
Il chitosano è estremamente versatile: ha un effetto antibatterico e inibitore degli odori, ha proprietà di adesione e di regolazione della viscosità, può formare film ed è completamente biodegradabile. Grazie alle sue proprietà antimicrobiche ed emostatiche e all'eccellente biocompatibilità, il chitosano viene utilizzato nelle medicazioni delle ferite; l'industria cosmetica sta già sfruttando la sua capacità di trattenere l'umidità, sotto forma di componenti idratanti e curativi della pelle in creme e lozioni.
Poiché il biopolimero offre siti di legame per altre funzionalità o molecole, Hahn lo ha modificato in vari modi in collaborazione con l'Istituto. Ad esempio, può essere utilizzato come matrice per una finitura idrofobica senza fluoro per i tessuti o come flocculante a base biologica per il trattamento di acque reflue complesse.
La capacità di formare film predestina il biopolimero a rivestimenti e pellicole in sostituzione dei polimeri derivati dal petrolio. Hahn ha prodotto film trasparenti dopo aver aggiunto reticolanti a base biologica. "Grazie alla loro equilibrata elasticità e trasparenza, i film di chitosano sono ideali come imballaggi monouso sostenibili, biobased e biodegradabili, ad esempio nell'industria alimentare", spiega Hahn. Un altro vantaggio è che l'utilizzo industriale di risorse disponibili localmente può sostituire le materie prime fossili e ridurre la dipendenza dalle catene di approvvigionamento internazionali".
CHITIN [C8H13NO5] shelter: prototipi di design tessile realizzati con fibre filate
Ispirandosi all'origine naturale e alle proprietà del materiale, il team di designer di SurrealLabor ha esplorato il chitosano come materia prima per applicazioni tessili. Nell'ambito del progetto "CHITIN [C8H13NO5] shelter", finanziato dalla rete Fraunhofer "Science, Art and Design" e con il supporto scientifico di Thomas Hahn, hanno filato fili di chitosano su un sistema di laboratorio costruito appositamente per questo scopo, utilizzando processi di estrusione e filatura a umido, e li hanno trasformati in un tessuto come prototipo di design. Con la produzione, l'ulteriore sviluppo e l'ottimizzazione della filatura del chitosano, il team mira a sviluppare una nuova risorsa biobased per l'industria tessile e a contribuire a una visione dell'economia circolare di domani.
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