In Brazilië, Onderzoekers van de São Paulo State University (UNESP) in Ilha Solteira hebben een folie ontwikkeld die plastic in voedselverpakkingen kan vervangen. De film is gemaakt van hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) en bacteriële celluloseresten die overblijven bij industriële verwerking. Beide grondstoffen zijn duurzaam. Ze worden gecombineerd om een ​​biologisch afbreekbare film van bacteriële cellulose-nanokristallen en HPMC te produceren.

Het product presteert beter dan film gemaakt van alleen HPMC. Een artikel over het onderzoeksproject, die werd ondersteund door FAPESP, wordt gepubliceerd in het tijdschrift ACS toegepast materiaal en interfaces.

"We wilden de HMPC-matrix vullen met nanokristallen van bacteriële cellulose om de eigenschappen ervan te verbeteren. We wilden ook groenere protocollen creëren voor de ontwikkeling van nieuwe composieten, van het materiaal zelf tot zijn oorsprong, daarom hebben we het hergebruik van bedrijfsafval in het project opgenomen, " zei Márcia Regina de Moura Aouada, een co-auteur van het artikel. Aouada heeft een Ph.D. in de chemie van UNESP, waar ze doceert en onderzoeker is bij het Center for Development of Functional Materials (CDMF), een van de onderzoeken, Innovatie- en verspreidingscentra (RIDC's) ondersteund door FAPESP.

Sinds haar doctoraat, Aouada heeft films bestudeerd die gemaakt zijn van hernieuwbare energiebronnen, en eetbare en biologisch afbreekbare films, met als doel de groeiende productie van vast afval in de vorm van gedumpte plastic voedselverpakkingen te verminderen.

"Een van de beperkingen van films gemaakt van HPMC en andere biopolymeren is hun lage mechanische sterkte in vergelijking met traditionele films die zijn afgeleid van aardolie. Ze zijn ook zeer goed doorlaatbaar voor waterdamp, wat de beschikbare toepassingen beperkt. We hebben deze eigenschappen verbeterd door bacteriële cellulose toe te voegen, " zei Pamela Melo, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen aan UNESP en eerste auteur van het artikel over het project, die werd uitgevoerd tijdens haar Ph.D. onderzoek onder supervisie van Aouada.

Taart recept

De onderzoekers verkregen bacteriële celluloseresten van Seven Indústria de Produtos Biotecnológicos, die biofilms van wondverband maakt in de staat Paraná. Om dit afval om te zetten in folie geschikt voor voedselverpakkingen, ze maalden de snippers eerst tot poeder. "Vervolgens hebben we het poeder onderworpen aan zwavelzuurhydrolyse, een proces dat goed beschreven is in de literatuur, " zei Melo. Het resultaat was een bacteriële cellulose nanokristalsuspensie, die ze vermengden met HPMC verdund in water om een ​​filmvormende dispersie te produceren, een interessant doelwit voor de bioplastics-industrie.

"Het is niet genoeg om goede composieten te maken. We moeten de beste oplossing vinden om goede filmeigenschappen te verkrijgen door factoren zoals viscositeit en nanodeeltjesconcentratie te variëren. Een goede analogie zou een cakerecept kunnen zijn:het bestuderen van het recept is een andere belangrijke innovatie in ons onderzoek , ' zei Aouada.

"Hoe de nanokristallen interageren met de HPMC-matrix en erin worden verdeeld, zal de filmkwaliteit bepalen, dus hebben we tests uitgevoerd en zijn we tot de optimale verdeling gekomen via hoogenergetische dispersie met behulp van een Turrax-verspreider, Melo zei. De filmvormende dispersie werd afgezet op een substraat. De oplosmiddelen verdampten na 24-48 uur. Het resultaat was een sterker, minder doorlatend product dan HPMC-only film. De hoeveelheid water die door het materiaal wordt geabsorbeerd, is momenteel een beperking voor het gebruik in verpakkingen.

Een andere positieve bevinding is dat de nanokristallen de transparantie van HPMC niet veranderen.

Voordelen van bacteriële cellulose

Cellulose is het meest voorkomende polymeer in de natuur en het hoofdbestanddeel van plantaardige vezels, zorgen voor stevigheid voor planten. Plantaardige cellulose is bekend en wordt gebruikt bij de productie van papier, maar sommige bacteriën, algen en ongewervelde zeedieren scheiden ook cellulose af, die al enige tijd wordt gebruikt in biofilms van wondverbanden en zich nu uitbreidt naar andere gebieden, zoals voedselverpakkingen.

De bescherming van de natuurlijke omgeving heeft hier het meeste baat bij. "Bacteriële cellulose kan het hele jaar door in het laboratorium worden geproduceerd, ongeacht de weers- en omgevingsomstandigheden. Het is een zuiverder molecuul en het productieproces veroorzaakt minder vervuiling, " zei Aouada. De verwerking van plantaardige cellulose vereist de verwijdering van onzuiverheden zoals lignine met behulp van organochloorverbindingen, die schadelijk zijn voor het milieu.

Een ander voordeel van bacteriële cellulose is de aanwezigheid van nanometrische vezels in de structuur. "Dit is erg interessant omdat het het materiaal verschillende eigenschappen geeft, zoals een hoge treksterkte, wat betekent dat het bestand is tegen bepaalde belastingen of spanningen zonder te breken, ' zei Aouada.

Volgende stappen

De onderzoekers zijn van plan om filmvormende dispersies te blijven testen totdat ze concluderen dat ze een concurrerend product hebben ontwikkeld. Ze bestuderen andere polymeerdispersietechnieken, ze te vergelijken met het gebruik van HPMC, en het beoordelen van hun biologische afbreekbaarheid.

Als ze erin slagen betere filmvormende dispersies te ontwikkelen, wellicht is het mogelijk om op grotere schaal bacteriële cellulose toe te passen. "Onze belangrijkste focus ligt op het vinden van vervangers voor materialen die niet als ecologisch correct worden beschouwd, zoals aardolieproducten. Dergelijke vervangingsmiddelen omvatten biologisch afbreekbare composieten die zijn afgeleid van hernieuwbare bronnen, ' zei Aouada.

Het gebruik van celluloseafval en andere soorten afval helpt ook de verwerkingskosten te verlagen. Consumenten geven doorgaans de voorkeur aan plastic folie voor verpakkingen omdat het goedkoop is. Bovendien, er zijn andere veelbelovende bronnen van bacteriële cellulose, zoals de suikerriet- en soja-industrie. "Studies hebben aangetoond dat bacteriële cellulose kan worden verkregen met suikerriet of sojamelasse als substraat, ' zei Aouada.