Film e rivestimenti bio per imballaggi ricavati dai materiali di scarto contenenti chitina

Claudia Vorbeck  – FRAUNHOFER IGB

Il trattamento dei crostacei dall’industria del pesce, la produzione delle proteine degli insetti e la coltivazione dei funghi dà luogo a grandi quantità di materiali di scarto contenenti chitina. L’Istituto Fraunhofer per l’Ingegneria Interfacciale e la Biotecnologia IGB ha messo a punto una catena di processo per il trattamento della chitina e per creare valore aggiunto da questi flussi di prodotti di scarto. Queste tecnologie consentono di produrre chitosani ad elevato grado di purezza che possono essere utilizzati, fra l’altro, per rivestimenti sostenibili. I film trasparenti ricavati dal chitosano sono adatti all’uso come confezioni monouso biodegradabili e possono sostituire la plastica a base di sostanze petrolifere.

La chitina biopolimerica viene prodotta principalmente come materiale strutturale dai crostacei, insetti e funghi ed è dopo la cellulosa di origine vegetale, il secondo biopolimero più abbondante presente sulla terra. Per via del suo contenuto di azoto, la chitina viene già utilizzata in agricoltura come fertilizzante e ammendante del terreno oppure per la produzione di chitosano. Tuttavia, l’utilizzo commerciale si è limitato finora principalmente alla chitina, che viene estratta dai gusci dei granchi. Eppure, l’industria alimentare e i settori della biotecnologia in tutto il mondo generano centinaia di migliaia di tonnellate aggiuntive di residui contenenti chitina: esoscheletri degli insetti dalla produzione di proteine degli insetti, residui del micelio dalla fermentazione dei funghi e rifilatura dalla coltivazione dei funghi. I ricercatori dell’Istituto Fraunhofer per l’ingegneria Interfacciale e Biotecnologia IGB sono infine riusciti ad utilizzare gli esoscheletri dell’insetto e i residui contenenti micelio dalla fermentazione dei funghi come fonte di chitina per la produzione del chitosano. A tal fine, l’Istituto ha definito una catena di processo per il trattamento della chitina in cui i flussi di residui e di scarti vengono trattati in base ai principi della bioraffineria e convertiti in materiali validi.

Estrazione non invasiva della chitina da varie fonti
La composizione dei residui contenenti chitina varia da organismo a organismo. I gusci dei granchi e la chitina degli insetti, ad esempio, devono essere ripuliti dai depositi di calcio e dalle proteine, mentre la chitina del micelio del fungo è spesso legata ai glucani. “Abbiamo adattato i nostri processi di estrazione della chitina ai vari materiali di scarto e personalizzato la separazione necessaria e le fasi di processo alla rispettiva composizione chimica”, come ha spiegato Dr. Thomas Hahn, che studia da molti anni il processo della chitina all’Istituto IGB Fraunhofer. Ciò ha implicato anche lo sviluppo o la revisione dei metodi analitici per valutare il successo del trattamento. Solo conoscendo la composizione chimica esatta della biomassa contenente la chitina è possibile trattare la materia prima idonea in modo specifico. Adottando le tecniche analitiche di nuova definizione, i ricercatori monitorano il contenuto di chitina dei prodotti intermedi dopo ogni fase individuale della raffinazione.

Sostenibile ed economica allo stesso tempo
Per preservare le proprietà fisico-chimiche della chitina, essa deve essere separata dalla biomassa rimanente in modo meno distruttivo possibile. Hahn preferisce quindi utilizzare i veicoli acquosi oppure affidarsi agli enzimi per rimuovere selettivamente le impurità. Per garantire che l’implementazione industriale successiva sia economicamente possibile, il chimico sta già valutando e ottimizzando le fasi individuali del processo su scala di laboratorio in vista di un aggiornamento. “Se, ad esempio, i solventi, i reagenti o l’acqua di lavaggio possono essere ridotti o riciclati, ciò produce un effetto positivo sui costi generali di processo”, ha spiegato Hahn.

Conversione ottimizzata della chitina in chitosano
Il chitosano, che è solubile nelle soluzioni leggermente acide e che è quindi molto versatile, viene prodotto mediante deacetilazione della chitina. Tuttavia, la produzione del chitosano dalla chitina non è così scontato e richiede una vera conoscenza dei processi chimici ed esperienza. Tipicamente, il processo ha luogo ad alte temperature e nelle condizioni di un ambiente chimico molto esigente. “Nel corso di tanti anni di ricerca, siamo riusciti a moderare le condizioni di reazione, ottimizzandole e incrementandone il rendimento”, ha affermato Hahn. Mediante le fasi di raffinazione adeguate, il chimico ottiene il chitosano con una purezza superiore al 90%, dai gusci dei granchi, dal micelio dei funghi e dagli esoscheletri degli insetti. L’analisi successiva del peso molecolare, grado di deacetilazione e purezza del rispettivo prodotto chitosano dà già i primi dati iniziali di applicazioni possibili. In un test della piastra di colata con il solvente, che esamina la formazione del film e la funzionalità di rigonfiamento, Hahn ha individuato anche i composti incompatibili con il chitosano oltre agli agenti reticolanti idonei.

Chitosano: un biopolimero versatile che può sostituire i polimeri a base di petrolio
Il chitosano è molto versatile: è dotato di proprietà antibatteriche e anti-odore, aderisce bene, regola l’adesione e la viscosità, e può formare i film ed è completamente biodegradabile. Per via delle proprietà antimicrobiche ed emostatiche e l’eccellente biocompatibilità, il chitosano è utilizzato per le medicazioni delle ferite: l’industria dei cosmetici sta già traendo vantaggio dalla sua capacità di trattenere l’umidità, nella forma di componenti umidificanti e per la cura della pelle in creme e lozioni. Dal momento che il biopolimero fornisce punti di riattivazione di altre funzionalità o molecole, Hahn lo ha modificato anche in vari modi avvalendosi di collaborazioni interne nell’Istituto. Inoltre, può servire da matrice per la finitura idrofobica esente da fluoro di prodotti tessili oppure da flocculante bio per trattare le acque reflue complesse. L’abilità del biopolimero di formare film lo rende ideale per rivestimenti e film in sostituzione dei polimeri a base di petrolio. Hahn ha prodotto film trasparenti, dopo aver aggiunto reticolanti bio. “Per la loro elasticità e trasparenza bilanciata, i film di chitosano sono idealmente adatti come confezioni monouso biodegradabili, sostenibili, bio e biodegradabili, ad esempio nell’industria alimentare”, ha spiegato Hahn. Un altro vantaggio offerto consiste nel fatto che utilizzando le risorse disponibili localmente su scala industriale, le materie prime fossili possono essere sostituite e la dipendenza dalle catene di distribuzione internazionale può essere ridotta.

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