Duitsland produceert jaarlijks ongeveer 38 kilo plastic afval per hoofd van de bevolking. In een gezamenlijk project met de Universiteit van Stuttgart en LCS Life Cycle Simulation, onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB en het Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV werken nu aan een holistisch concept voor het duurzaam gebruik van biologisch afbreekbare verpakkingsmaterialen in de cosmetica-industrie. Het project richt zich op polyhydroxyalkanoaten (PHA's), die vergelijkbare eigenschappen hebben als conventionele kunststoffen, maar zijn geproduceerd uit micro-organismen en zonder het gebruik van fossiele grondstoffen.

Daten, de bacteriën in het laboratorium van Dr. Susanne Zibek bij Fraunhofer IGB in Stuttgart zijn gevoed met een hele reeks afvalstoffen, variërend van houtafval en olie- en suikerresiduen tot glycerol uit de productie van biodiesel. Elk van deze op koolstof gebaseerde voedingsbronnen zorgt ervoor dat de bacteriën specifieke intracellulaire opslagkorrels produceren. Deze zogenaamde polyhydroxyalkanoaten (PHA's) staan ​​centraal in SusPackaging, een onderzoeksproject dat wordt uitgevoerd in samenwerking met Fraunhofer IVV in Freising, de Universiteit van Stuttgart en LCS Life Cycle Simulation, die is gelegen in de stad Backnang. Onderzoekers van Fraunhofer IGB proberen biologische, biologisch afbreekbare polymeren als vervanging voor plastic verpakkingen in de cosmetica-industrie. Wat het project onderscheidt, is de poging om een ​​volledig groene waardeketen op te zetten. Zoals Dr. Ana Lucía Vásquez-Caicedo van Fraunhofer IGB uitlegt:een holistisch concept met focus op duurzaamheid is nieuw:"Veel studies concentreren zich op individuele aspecten, maar het komt zelden voor dat de hele procesketen wordt overwogen tot aan een evaluatie van de kwaliteit van materialen."

Het proces begint met het kweken van de bacteriën. Dr. Susanne Zibek, groepsmanager van de Food Processing Technology Group, en haar collega Dr. Thomas Hahn onderzoeken hoe specifieke micro-organismen kunnen worden gebruikt om verschillende PHA's met verschillende structuren te produceren, en hoe de voerkeuze hun eigenschappen beïnvloedt. "In principe, we proberen nieuwe structurele varianten te creëren, zodat we dan kunnen zien of het geproduceerde polymeer geschikt is als verpakkingsmateriaal, " legt Zibek uit. De werkgroep wordt ondersteund door onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart, die verschillende kenmerken van de micro-organismen onder de loep nemen, inclusief de mate waarin ze zich kunnen aanpassen aan giftige stoffen die in de natuurlijke voederbronnen aanwezig kunnen zijn.

Schadelijke oplosmiddelen vervangen door drukveranderingstechnologie

Voordat de PHA's kunnen worden verwerkt en getest, ze moeten eerst uit de micro-organismen worden gehaald. Dit is het vakgebied van Vásquez-Caicedo, groepsmanager van de Food Processing Technology Group bij Fraunhofer IGB. Als een regel, dit zogenaamde zuiveringsproces maakt gebruik van oplosmiddelen zoals chloroform. Echter, zoals ze uitlegt, het doel is om af te stappen van milieubelastende oplosmiddelen. In plaats daarvan, ze heeft een puur mechanische/fysieke methode voor celverstoring ontwikkeld. Bekend als drukveranderingstechnologie (PCT), hierbij wordt een procesgas toegevoegd aan de fermentatiebouillon die de micro-organismen bevat. De bouillon wordt vervolgens onder druk gezet, waardoor het gas het cytoplasma van de cellen binnendringt. Een snelle verlaging van de druk in de bouillon vernietigt de cellen en maakt de PHA vrij.

Na zuivering, de PHA wordt in de vorm van een wit poeder naar Fraunhofer IVV in Freising gestuurd. Hier, het wordt eerst omgezet in korrels en vervolgens in een polymeerfilm. Eerste tests op kleine platen van dit polymeer hebben materiaaleigenschappen onderzocht zoals thermische stabiliteit, plasticiteit en verschillende barrière-eigenschappen - essentieel als toekomstige verpakkingen cosmetische ingrediënten moeten leveren, bijvoorbeeld, effectieve bescherming tegen uitdroging.

Dr. Cornelia Stramm van Fraunhofer IVV is tevreden met de resultaten tot nu toe:"Wat betreft hun mechanische eigenschappen, sommige PHA-types blijken nog steeds wat moeilijk te verwerken. Daar moeten we een paar aanpassingen doen. Maar in termen van hun barrière-eigenschappen, PHA's vertonen een groot potentieel in vergelijking met andere biopolymeren." Aan het einde van elke testcyclus ze stuurt de resultaten terug naar Stuttgart, samen met aanbevelingen voor verdere actie, en dan begint het proces opnieuw.

Op basis van deze feedback van Fraunhofer IVV, De werkgroep van Zibek bij Fraunhofer IGB heeft haar voerstrategie aangepast. De bacteriën krijgen nu een extra cosubstraat, die het valeraatgehalte van de PHA verhoogt, waardoor het eindproduct soepeler wordt.

Verdere verbetering bij elke feedbacklus

Hoewel de volumes nog steeds erg laag zijn en de productie veel tijd kost, het proces verbetert gestaag met elke feedbacklus.

Nadat de verschillende stappen zijn afgerond, a life cycle analysis conducted by external project partner LCS Life Cycle Simulation will evaluate the energy efficiency and sustainability of the entire process in order to compare it with existing processes. All three researchers from Fraunhofer see big potential for PHAs. In de toekomst, particularly for small items of disposable packaging, they could offer a genuine alternative to conventional petroleum-based plastics.