Ein umweltverträgliches Material abgeleitet von Krabbenschalen und Baumfasern könnte flexible Plastikverpackungen ersetzen, die verwendet werden, um Lebensmittel frisch zu halten, so eine neue Untersuchung des Georgia Institute of Technology.

Die Forscher haben eine Methode entwickelt, mit der mehrere Schichten Chitin aus Krabbenschalen und Zellulose aus Bäumen gesprüht werden können, um einen flexiblen Film zu bilden, der Kunststoffverpackungen ähnelt.

Die Forschung kommt zu einer Zeit, in der der Markt für Konsumgüter aus nachhaltigen und nachwachsenden Rohstoffen zunehmend wächst.

Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift ACS Nachhaltige Chemie und Ingenieurwesen.

Inspiriert von natürlichen Materialien

Die Forscher begannen mit der Arbeit an dem Material, nachdem sie sich in ihren früheren Arbeiten von Cellulose-Nanokristallen und Chitin-Nanofasern inspirieren ließen.

Die Materialien sind zwei der häufigsten natürlichen Biopolymere - Cellulose, die aus Pflanzen stammt, ist das häufigste, gefolgt von Chitin, das in Schalentieren, Insekten und Pilzen vorkommt.

„Wir haben uns seit mehreren Jahren mit Cellulose-Nanokristallen befasst und nach Möglichkeiten gesucht, diese für den Einsatz in Leichtverbundwerkstoffen sowie für Lebensmittelverpackungen zu verbessern, da sich auf dem Markt große Chancen für erneuerbare und kompostierbare Verpackungen bieten und die Bedeutung von Lebensmittelverpackungen insgesamt absehbar ist während die Bevölkerung weiter wächst “ J. Carson Meredith, Professor an der School of Chemical and Biomolecular Engineering der Georgia Tech, sagte in einer Erklärung.

Sie untersuchten Chitin aus einem anderen Grund, als sie auf die Idee kamen, die beiden zusammenzuführen.

"Unser ursprüngliches Interesse galt einem Insekt, dem weißen Käfer, bei dem die äußere, aus Chitin gefertigte Vorderfront eine strahlend weiße Farbe aufweist", sagte Meredith.

"Wir haben versucht, diese weiße Farbe in ein nachwachsendes Material zu kopieren, haben aber festgestellt, dass wir auch schöne transparente Filme herstellen können. “

Sie erkannten, dass Chitin-Nanofasern positiv und Cellulose-Nanokristalle negativ geladen sind, und beschlossen, beide als alternierende Schichten in einer Beschichtung zu testen.

„Sie ergänzen sich zu einer dichten, undurchdringlichen Struktur, weil sie beide kristallin und gegensätzlich geladen sind. Es gibt Studien, die darauf hinweisen, dass diese gut zusammen kompostieren (sobald sie weggeworfen werden) “, sagte Meredith.

Das Produkt entwickeln

Das Team entwickelte eine Methode zur Herstellung eines Films, bei der Cellulose- und Chitin-Nanofasern in Wasser suspendiert und abwechselnd auf eine Oberfläche gesprüht werden.

Sobald das Material vollständig getrocknet ist, entsteht ein flexibler, fester, transparenter und kompostierbarer Film.

Es ahmt nicht nur die physikalischen Eigenschaften von Kunststofffolien nach, sondern bietet auch eine bessere Gasbarriere, die den Austritt von Sauerstoff verhindert, so die Forscher.

Lebensmittelverpackungen müssen den Durchtritt von Sauerstoff verhindern, um Lebensmittel zu konservieren, und die Forscher stellten fest, dass die kristalline Struktur der Folie eine bessere Barriere gegen das Entweichen von Gas bildet.

"Es ist schwierig für ein Gasmolekül, in einen festen Kristall einzudringen, weil es die Kristallstruktur stören muss", sagte Meredith in einer Erklärung. "So etwas wie PET [Polyethylenterephthalat] Auf der anderen Seite ist der Gehalt an amorphen oder nicht kristallinen Stoffen beträchtlich, sodass ein kleines Gasmolekül mehr Wege findet, um leichter durchzukommen. “

Die Bedeutung nachhaltiger Alternativen  

Die Forscher verwendeten PET, eines der am häufigsten verwendeten Materialien auf Erdölbasis für transparente Verpackungen, als Vergleichsmaßstab und stellten fest, dass ihre Folie gegenüber einigen PET-Formen eine um 67 Prozent verringerte Sauerstoffdurchlässigkeit aufwies.

Dies bedeutet, dass das neue Material Lebensmittel theoretisch länger frisch halten kann.

Darüber hinaus könnte die Möglichkeit, Materialien auf Erdölbasis in Verbraucherprodukten zu ersetzen, enorme Auswirkungen auf die Umwelt haben, erklärte Meredith.

"Die Reduzierung der Menge an nicht abbaubarem Kunststoff in Ozeanen und Deponien ist ein Hauptgrund", sagte Meredith.

„Ein weiterer Grund ist die langfristige, unvermeidliche Abkehr von Erdöl als Energieträger (was Jahrzehnte dauern kann), die es erforderlich macht, andere Materialquellen zu finden. Der Großteil der aus Erdöl gewonnenen Kunststoffe wird aus Nebenprodukten des Raffinierens von Öl zur Energiegewinnung hergestellt. Wenn wir diesen Materialstrom nicht mehr haben, wird eine andere Quelle benötigt.

„Schließlich gibt es in den USA und in Europa reichlich Überschusswälder. Eine nachhaltige Nutzung und ein rotierendes Wachstum sind gut für die Wälder und tragen zur Verringerung von Waldbränden bei. “

Nächste Schritte

Meredith ist der Ansicht, dass angesichts der bereits produzierten Cellulosemenge und des leicht verfügbaren Angebots an chitinreichen Nebenprodukten aus der Schalentierfutterindustrie wahrscheinlich mehr als genug Material zur Verfügung steht, um diese Verpackung zu einer praktikablen Alternative zu Kunststoff zu machen.

Die Forscher haben jedoch noch viel zu tun. Zum einen sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um die Fähigkeit des Materials zur Blockierung von Wasserdampf zu verbessern, und die Verfahren zur Herstellung von Chitin könnten verbessert werden.

Aber vielleicht am wichtigsten ist, dass die Forscher das neue Material kostenmäßig mit Kunststoffverpackungen konkurrenzfähig machen müssen.

„Es muss kostengünstig werden, sonst wird es nicht kommerziell. Momentan ist es im Labormaßstab, und Prozesse müssen so gestaltet werden, dass große Volumina hergestellt werden können “, sagte Meredith.

„Ich denke nicht, dass diese Herausforderung bedeutender ist als die Herausforderung, Papier wirtschaftlich zu produzieren. Es sollte also mit Investitionen möglich sein. “