Bakterier fodret på en tilpasset diæt producerer biologisk nedbrydelige polymerer til alternativ emballage i kosmetikindustrien

Tyskland genererer omkring 38 kg plastaffald pr. indbygger hvert år. I et fælles projekt med University of Stuttgart og LCS Life Cycle Simulation, forskere fra Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB og Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV arbejder nu på at etablere et holistisk koncept for bæredygtig brug af biologisk nedbrydelige emballagematerialer i kosmetikindustrien. Projektet fokuserer på polyhydroxyalkanoater (PHA'er), som har lignende egenskaber som konventionel plast, men er fremstillet af mikroorganismer og uden brug af fossilbaserede råvarer.

Til dato, bakterierne i Dr. Susanne Zibeks laboratorium på Fraunhofer IGB i Stuttgart er blevet fodret med en lang række affaldsmaterialer, lige fra træaffald og olie- og sukkerrester til glycerol fra biodieselproduktion. Hver af disse kulstofbaserede foderkilder får bakterierne til at producere specifikke intracellulære lagringsgranulat. Disse såkaldte polyhydroxyalkanoater (PHA'er) er i fokus for SusPackaging, et forskningsprojekt, der udføres i samarbejde med Fraunhofer IVV i Freising, universitetet i Stuttgart og LCS livscyklussimulering, som ligger i byen Backnang. Forskere fra Fraunhofer IGB søger at skabe biologisk baseret, bionedbrydelige polymerer som erstatning for plastemballage i kosmetikindustrien. Det, der adskiller projektet, er dets forsøg på at etablere en helt grøn værdikæde. Som Dr. Ana Lucía Vásquez-Caicedo fra Fraunhofer IGB forklarer, et holistisk koncept med fokus på bæredygtighed er nyt:"Mange undersøgelser koncentrerer sig om individuelle aspekter, men det er sjældent, man ser en overvejelse af hele proceskæden helt op til en evaluering af materialernes kvalitet."

Processen begynder med dyrkning af bakterierne. Dr. Susanne Zibek, gruppeleder i Food Processing Technology Group, og hendes kollega Dr. Thomas Hahn undersøger, hvordan specifikke mikroorganismer kan bruges til at producere forskellige PHA'er med forskellige strukturer, og hvordan valget af foder påvirker deres egenskaber. "I bund og grund, vi forsøger at skabe nye strukturelle varianter, så vi kan se, om den fremstillede polymer er egnet som emballagemateriale, " forklarer Zibek. Arbejdsgruppen har støtte fra forskere ved universitetet i Stuttgart, som ser nærmere på mikroorganismernes forskellige karakteristika, herunder i hvilket omfang de kan tilpasse sig giftige stoffer, der kan være indeholdt i de naturlige foderkilder.

Udskiftning af skadelige opløsningsmidler med trykændringsteknologi

Før PHA'erne kan behandles og testes, de skal først udvindes fra mikroorganismerne. Dette er specialistområdet for Vásquez-Caicedo, gruppeleder for Food Processing Technology Group hos Fraunhofer IGB. Som regel, denne såkaldte oprensningsproces bruger opløsningsmidler såsom chloroform. Imidlertid, som hun forklarer, målet er at komme væk fra miljøskadelige opløsningsmidler. I stedet, hun har udviklet en rent mekanisk/fysisk metode til celleforstyrrelse. Kendt som trykændringsteknologi (PCT), dette involverer tilsætning af en procesgas til fermenteringsbouillonen indeholdende mikroorganismerne. Bouillonen sættes derefter under tryk, med det resultat, at gassen trænger ind i cellernes cytoplasma. En hurtig sænkning af trykket i bouillonen ødelægger cellerne og frigiver PHA.

Efter rensning, PHA sendes i form af et hvidt pulver til Fraunhofer IVV i Freising. Her, det omdannes først til granulat og derefter til en polymerfilm. Indledende test på små ark af denne polymer har undersøgt materialeegenskaber såsom termisk stabilitet, plasticitet og forskellige barriereegenskaber - afgørende, hvis fremtidig emballage skal forsyne kosmetiske ingredienser med, for eksempel, effektiv beskyttelse mod udtørring.

Dr. Cornelia Stramm fra Fraunhofer IVV er tilfreds med resultaterne indtil videre:"Med hensyn til deres mekaniske egenskaber, nogle PHA-typer viser sig stadig at være noget vanskelige at behandle. Der skal vi lave et par justeringer. Men med hensyn til deres barriereegenskaber, PHA'er viser et stort potentiale sammenlignet med andre biopolymerer." Ved slutningen af ​​hver testcyklus, hun sender resultaterne tilbage til Stuttgart sammen med anbefalinger til yderligere handling, og så begynder processen igen.

Baseret på denne feedback fra Fraunhofer IVV, Zibeks arbejdsgruppe hos Fraunhofer IGB har ændret sin foderstrategi. Bakterierne får nu et ekstra cosubstrat, hvilket øger PHA's valeratindhold, derved gøre slutproduktet mere smidigt.

Yderligere forbedring med hver feedback-loop

Mens mængderne stadig er meget lave, og produktionen tager meget tid, processen forbedres støt med hver feedback-loop.

Når de forskellige trin er afsluttet, en livscyklusanalyse udført af ekstern projektpartner LCS Life Cycle Simulation vil evaluere energieffektiviteten og bæredygtigheden af ​​hele processen for at sammenligne den med eksisterende processer. Alle tre forskere fra Fraunhofer ser stort potentiale for PHA'er. I fremtiden, især til små genstande af engangsemballage, they could offer a genuine alternative to conventional petroleum-based plastics.