Chitin: Aus Insekten wird biologisch abbaubarer Kunststoff

Chitin, neben Cellulose und Lignin eines der häufigsten Naturpolymere, wird derzeit nur in geringen Mengen genutzt. Das kann sich jetzt ändern. Forschergruppen in Brasilien und in den USA haben für dieses Material, das in Insekten, Krustentieren und sogar in Pilzen vorkommt, attraktive Verwendungen gefunden. Roniérik Pioli Vieira, Assistenzprofessor für Chemie an der Staatlichen Universität Campinas im Bundesstaat São Paulo, und sein Team setzen das Chitin-Derivat Chitosan in biologisch abbaubaren Verpackungsfolien ein. Karen Wooley, Chemikerin an der Texas A&M University in College Station, setzt mit ihrem Team auf den Ersatz von Erdöl bei der Herstellung von gängigen Kunststoffen wie Polycarbonate oder Polyurethane sowie so genannte Hydrogele, die den Wasserhaushalt in Ackerböden regeln, wichtig in einer Zeit mit häufigen Wechseln von Starkregen und Dürren.

Aus Chitosan und Orangenschalen

Basismaterialien des brasilianischen Teams sind neben Chitosan die Schalen von Orangen. „Wir haben uns auf Zitrusfrüche konzentriert, weil Brasilien einer der weltweit größten Orangenproduzenten ist“, sagt Pioli Vieira. Schalen von Zitrusfrüchten sind bereits früher wegen ihrer antioxidativen und antimikrobiellen Wirkung als Ausgangsmaterial für Lebensmittelverpackungen getestet worden. Doch die Folien waren nicht stabil und damit als Ersatz für Verpackungsmaterial auf Erdölbasis ungeeignet. Zudem gingen die wertvollen Inhaltsstoffe schon bei der Herstellung der Folien weitgehend verloren.

Stabile Folie per Polymerisation

Pioli Vieira löste das Problem, indem er in eine Matrix aus Chitosan Poly(Limonen) einbetteten, ein Polymer, das sie aus Limonen herstellen. Dieses Material gewinnen sie aus den Schalen von Orangen. Es ist stabiler und weniger flüchtig als Limonen selbst, sodass es ideal ist für die Herstellung strapazierfähiger Folien.

Da sich Chitosan und Poly(Limonen) nicht freiwillig miteinander verbinden setzten die Forscher ein Verfahren namens Polymerisation ein, bei der sich mit Katalysatorhilfe so genannte Monomere, das sind kleine organische Moleküle, zu Polymeren vernetzen, in diesem Fall zu Folien.

Zuverlässiger Schutz und gefahrlos für Tiere

Die Folie erwies sich als zuverlässiger Schutz gegen ultraviolette Strahlung, die Lebensmittel schnell zerstören kann, und war stabil, sodass sie sich für die Massenproduktion von Verpackungen eignet. Da sie sich nach einer gewissen Zeit biologisch auflöst kann sie nicht zur Gefahr für Meere, Flüsse und Seen werden, zumal beim Zerfall nur natürliche Bruchstücke freiwerden, die von Wasserbewohnern sogar verspeist werden können, ohne ihnen zu schaden.

Zweite Nutzung der Schwarzen Soldatenfliege

Während die brasilianischen Forscher ihr Chitin aus Exoskeletten von Schalentieren gewinnen, setzen die US-Kollegen auf Abfälle aus der Proteinherstellung aus den Larven von Schwarzen Soldatenfliegen, einer schnell wachsenden Industrie. Die Insekten ernähren sich von biologischen Abfällen. Das Produkt ist hochwertiges Tierfutter.

Ein Teil der Insekten ist für die Futterherstellung nicht geeignet, weil er das Larvenstadium bereits verlassen und ein Exoskelett aus Chitin gebildet hat. Diese werden derzeit als Abfall vernichtet, künftig aber für die Chitinproduktion genutzt.

Superabsorbierende Hydrogele

Cassidy Tibbetts, eine Doktorandin, die in Wooleys Labor arbeitet, extrahierte das Chitin aus den Abfällen. Es ist besonders rein, weil weiß, im Gegensatz zu Chitin aus Exoskeletten, das einen Gelbton aufweist. Hongming Guo, ein weiterer Doktorand in Wooleys Labor, wandelte das Chitin in Chitosan um, und stellte daraus superabsorbierende Hydrogele her. Diese nehmen in nur einer Minute das 47-fache ihres Gewichts an Wasser auf. Die Hydrogele könnten in Ackerböden eingesetzt werden, um bei Starkregen Wasser zu speichern, das sie nachfolgenden Dürren langsam wieder abgeben, sagt Wooley. Weil das Gel langsam zerfällt dient es den Ackerpflanzen zudem noch als Dünger.

Ersatz für Erdöl

Das ganz große Ziel muss allerdings noch erreicht werden. Das Team will Chitin jetzt in seine monomeren Glucosamine zerlegen. Aus diesen kleinen Zuckermolekülen können nach erprobten Verfahren, die allerdings auf echtem Zucker basieren und damit Konkurrenten bei Nahrungsmitteln sind, Biokunststoffe herstellen, die fast die gleichen Eigenschaften haben wie Polycarbonate oder Polyurethane, die aus Erdöl hergestellt werden.