01.03.2022 - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

"Grüne" Lösungsmittel und natürliche Pigmente zur Herstellung von Biokunststoff

Wissenschaftler aus Brasilien und Portugal haben ein umweltverträgliches Verfahren zur Herstellung von biologisch abbaubarem Kunststoff entwickelt, bei dem Pigmente aus Hefe durch "grüne" Lösungsmittel extrahiert werden. In einem in der Fachzeitschrift Green Chemistry veröffentlichten Artikel zeigen sie, dass dieser biologisch abbaubare Kunststoff in Zukunft in intelligenten Verpackungen mit antioxidativen und antimikrobiellen Eigenschaften verwendet werden könnte.

Nachhaltige Biokunststoffe, die aus Zuckerrohr, Mais und Kartoffeln hergestellt werden, haben ähnliche Anwendungsmöglichkeiten wie herkömmliche Kunststoffe aus Öl, Gas und Kohle, deren Zersetzung Hunderte von Jahren dauert.

Nach mehr als acht Jahren Forschung konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sich mit eutektischen Lösungsmitteln zwei Carotinoide, Astaxanthin und Beta-Carotin, effizient aus der Biomasse der Hefe Phaffia rhodozyma extrahieren lassen.

Carotinoide sind eine Klasse von mehr als 750 natürlich vorkommenden Pigmenten, die von Pflanzen, Algen und photosynthetischen Bakterien synthetisiert werden. Sie sind für die gelbe, orangefarbene und rote Farbe vieler Pflanzen verantwortlich. Sie werden u. a. in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie kommerziell genutzt.

Den Forschern zufolge können eutektische Lösungsmittel sowohl zur Extraktion der Pigmente als auch zur Herstellung biologisch abbaubarer Kunststofffolien auf der Grundlage bioaktiver Stärke verwendet werden, ohne dass eine zusätzliche Reinigung erforderlich ist.

"Wir haben den Nachweis erbracht, dass es möglich ist, ein natürliches Pigment mit einem nachhaltigen Verfahren herzustellen. Wir haben mit zwei Linien gearbeitet. Die eine war die Herstellung von Pigmenten auf Hefebasis und die Extraktion dieser wirtschaftlich wertvollen Naturstoffe mit eutektischen Lösungsmitteln, die eine Mischung aus biokompatiblen und biologisch abbaubaren Komponenten sind. Die andere war die Nutzung der Extrakte zur Herstellung von Biomaterialien wie dem Biokunststoff auf Stärkebasis", sagte Jorge Fernando Brandão Pereira, Professor am Fachbereich Chemieingenieurwesen der School of Science and Technology der Universität Coimbra in Portugal und neben Cassamo Ussemane Mussagy einer der korrespondierenden Autoren des Artikels.

Die FAPESP unterstützte die Forschung über vier Projekte (20/08655-0, 19/15493-9, 18/06908-8 und 15/11759-3).

Die Forschung ist Teil von Mussagys Postdoc-Arbeit an der Universität von São Paulo (USP) in Zusammenarbeit mit der staatlichen Universität von São Paulo (UNESP) unter der Leitung von Professor Adalberto Pessoa Junior.

"Wir suchten nach Alternativen zu synthetischen Pigmenten und zu den Extraktionsverfahren, die umweltschädliche Lösungsmittel verwenden. Wir haben mit nachhaltigen Methoden gearbeitet, um natürliche Pigmente zu gewinnen und sie bei der Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe unter Verwendung umweltfreundlicher Lösungsmittel einzusetzen", erklärte Mussagy gegenüber Agência FAPESP.

Pigmente werden seit Jahrhunderten verwendet, um das Aussehen verschiedener Produkte zu verbessern oder wiederherzustellen und die Einheitlichkeit zu gewährleisten. Da die Verbraucher zunehmend nach gesünderen oder nährstoffreicheren Produkten suchen und gleichzeitig versuchen, die natürliche Umwelt nicht zu schädigen, werden synthetische Pigmente durch natürliche Verbindungen ersetzt, die umweltfreundlich und auch biologisch aktiv sind, da sie antioxidative und antimikrobielle Eigenschaften haben.

Den Forschern zufolge werden wissenschaftliche Studien, die auf die Herstellung oder Extraktion natürlicher Pigmente aus Mikroorganismen abzielen, dazu beitragen, das Angebot an Biokunststoffen zu erweitern. Diese auch als Biopolymere bezeichneten Produkte machen derzeit weniger als 1 % der mehr als 367 Millionen Tonnen Kunststoff aus, die jedes Jahr weltweit hergestellt werden, so der Verband European Bioplastics, der die Interessen von rund 70 Mitgliedsunternehmen vertritt.

Einigen Schätzungen zufolge wird die Produktion von Biokunststoffen von 2,42 Tonnen im Jahr 2021 auf 7,59 Millionen Tonnen im Jahr 2026 ansteigen, da die Nachfrage nach alternativen Materialien in der Verpackungs-, Haushaltsgeräte- und Textilindustrie steigt und der Druck zunimmt, die Verwendung von aus Erdöl gewonnenen Kunststoffen aufgrund von Umweltverschmutzung und nicht abbaubaren Abfällen zu reduzieren.

Die Entwicklung neuartiger Biopolymere steht im Mittelpunkt einer Forschungsgruppe unter der Leitung von Rondinelli Herculano, einem Professor der UNESP, der an der Entwicklung des Biokunststoffs auf Stärkebasis mitgearbeitet hat.

Im Jahr 2018 wurden in Brasilien rund 11 Millionen Tonnen Kunststoff weggeworfen, was 13,5 % des Gesamtabfalls des Jahres entspricht und Brasilien zum viertgrößten Erzeuger von Kunststoffabfällen in der Welt macht. Die Schätzung stammt aus der brasilianischen Ausgabe des Plastic Atlas, der im November 2019 von der Heinrich-Böll-Stiftung, einer deutschen NGO, veröffentlicht wird.

Die Plastikverschmutzung ist eine wachsende Bedrohung für alle Ökosysteme, insbesondere für die Ozeane, wo sie laut den Vereinten Nationen 85 % des Gesamtmülls ausmacht.

"Industrielle Produktionsprozesse sind immer aggressiv, auch wenn das Produkt biologisch abbaubar ist", sagte Pereira. "Papier zum Beispiel ist erneuerbar und recycelbar, aber in fast allen Fällen wird es mit nicht nachhaltigen Methoden hergestellt, die große Mengen an Energie, Wasser und giftigen Chemikalien verbrauchen. Unsere Studie zeigt, dass es möglich ist, Biokunststoffe über eine integrierte und nachhaltige Plattform zu gewinnen".

Das Verfahren

Die Wissenschaftler produzierten die Carotinoide, indem sie Phaffia rhodozyma in einem Bioreaktor züchteten. Anschließend verwendeten sie ionische Flüssigkeiten, eutektische Lösungsmittel auf Cholinbasis und Buttersäure, um die Pigmente aus der Hefe zu extrahieren. Cholin ist ein Vitamin-B-ähnlicher Nährstoff, der vom menschlichen Organismus produziert wird und in der Natur vorkommt.

Ionische und eutektische Flüssigkeiten gelten als ideale Lösungsmittel für die Extraktion von Verbindungen aus natürlichen Matrices, vor allem dank ihrer Fähigkeit zur Solvatation, einem Prozess, bei dem Lösungsmittelmoleküle gelöste Ionen oder Moleküle umgeben und mit ihnen in Wechselwirkung treten oder eine ionische Verbindung sich in einer polaren Substanz auflöst, ohne eine neue zu bilden.

Um die Gewinnung von Astaxanthin (eines der wichtigsten natürlichen Antioxidantien, das von Hefen und Mikroalgen produziert wird) und Beta-Carotin zu maximieren, testeten die Forscher fünf Biomasse-Lösungsmittel-Konzentrationen (fest-flüssig), die als Schlüsselparameter bei Zellaufschlussverfahren zur Gewinnung von intrazellulären Molekülen aus mikrobieller Biomasse gelten. Die Konzentration, die in beiden Fällen anstieg, lag bei bis zu 0,2 g mL-1 der feuchten Hefezellen.

"Wir haben die Bio-Lösungsmittel so eingesetzt, dass das Pigment aus der Hefe-Biomasse extrahiert wurde und angewendet werden konnte. Wir stellten fest, dass das Lösungsmittel mit dem besten Ergebnis sowohl das Pigment aus der Biomasse des Mikroorganismus extrahierte als auch als Weichmacher für Verpackungen diente", so Valéria de Carvalho Santos Ebinuma, Professorin an der UNESP und Mitautorin des "Hot Article" der Grünen Chemie.

"Wir brauchen ständige langfristige Investitionen, um erstklassige Forschung zu fördern, daher ist die Unterstützung der FAPESP wichtig", sagte Mussagy. "Nach jahrelanger Forschung an der Entwicklung nachhaltiger Verfahren zur Herstellung und Extraktion von Pigmenten aus mikrobiellen Quellen wurde unsere Arbeit von einer Wissenschaftszeitschrift anerkannt, die zu den besten 5 % auf dem Gebiet der Nachhaltigkeit gehört."

Für Pereira ist der multidisziplinäre Ansatz, der in der Studie verwendet wurde, wichtig. "Es ist eine Belohnung für Mussagys stetige Bemühungen und zeigt, wie wichtig die Synergie zwischen Institutionen und Forschern ist", sagte er.

Mussagy sagte, die nächsten Schritte würden sich auf die Anwendung der Ergebnisse konzentrieren, um zu zeigen, dass Verpackungen aus dieser Art von "grünem" Kunststoff für verschiedene Zwecke verwendet werden können, nicht zuletzt in der Lebensmittelindustrie.

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