Chitin-Bioraffinerie: Von der Raffinierung agroindustrieller Reststoffe bis zur Herstellung von Chitosan

Chitin wird von einer Vielfalt an Organismen – Krustentieren, Insekten und Pilzen – als strukturelle Komponente gebildet und ist nach der von Pflanzen gebildeten Cellulose das zweithäufigste natürliche Polymer auf der Erde. Doch nicht nur aufgrund der hohen Verfügbarkeit besitzt Chitin als Ressource großes Potenzial. 

Rohstoffe mit Potenzial: Chitinhaltige agroindustrielle Reststoffströme

Das Biopolymer ist ein stickstoffhaltiges Polysaccharid und dient unter anderem als Rohstoff für die Herstellung von Chitosan und Glucosamin oder findet Einsatz als Dünger und Bodenverbesserer in der Landwirtschaft. Die kommerzielle Nutzung beschränkt sich derzeit noch auf die Gewinnung aus Krabbenschalen.

Dabei bieten auch weitere chitinhaltige Reststoffe der Lebensmittelherstellung und -verarbeitung Potenzial für eine weitergehende Wertschöpfung, wie Fischerei­abfälle, Abfallströme der Insektenproteinherstellung oder Reststoffe aus der industriellen Fermentation mit Pilzen. 

Am Fraunhofer IGB erfolgt die Gewinnung von Chitin über einen Prozess, der zumeist chemischer Natur ist. Für optimale Ergebnisse passen wir diesen Prozess jedoch für jeden einzelnen Rohstoff an: Es gibt generelle Aufreinigungsschritte, die aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der Biomassen adaptiert oder in der Reihenfolge verändert werden müssen.

Damit die spätere Umsetzung wirtschaftlich möglich wird, analysieren und optimieren wir einzelne Prozessschritte bereits  im Labormaßstab, z. B. durch Reduktion des Einsatzes von Lösungsmitteln oder Waschwasser. Zudem setzen wir am Fraunhofer IGB auch  biotechnologische Werkzeuge wie Enzyme zur Aufreinigung ein,  wofür wir geeignete Enzyme identifizieren. Unabhängig davon sollte der entwickelte Prozess im Allgemeinen skalierbar sein.

Mit unserer Expertise in der Aufskalierung der Chitinaufreinigung (z. B. bei Abfallströmen der Insektenproteinherstellung) identifizieren und bewältigen wir die Bottlenecks bei einem Transfer in den nächstgrößeren Maßstab.

Chitinisolierung und Konversion zu Chitosan

Neben der enzymatischen Hydrolse zu Chitosan (s. Enzymatische Konversion von Chitin aus Krabbenschalen und Insektenexoskeletten) beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe mit Methoden zur Chitinisolierung, die vorwiegend auf milden chemischen und enzymatischen Prozessen basieren. Enzymatische Prozesse beinhalten die Verwendung einzelner Enzyme oder Enzymcocktails zur Entfernung von Kontaminanten aus der Chitinmatrix.

Im Gegensatz dazu verfolgt die Arbeitsgruppe Industrielle Biotechnologie auch die Strategie, durch Konversion des Chitins zu niedermolekularem Chitin oder Chitosan den gewünschten Stoff aus der Matrix herauszulösen. Die Nutzung nasschemischer Methoden erfolgt unter dem Aspekt der möglichst effektiven Separation von Verunreinigungen bei gleichzeitiger Konservierung der chemisch-physikalischen Eigenschaften des Chitins. Im Zusammenhang damit ist auch die bevorzugte Verwendung wässriger Medien gegenüber organischen Lösungsmitteln zu nennen, die in einem großtechnischen Prozess erhöhter Sicherheitsvorkehrungen bedürfen.

Die genaue Kenntnis über die Zusammensetzung der Ausgangsbiomasse ist ein Muss. Einerseits kann der Aufreinigungserfolg über solche Analysen beurteilt und kontrolliert werden, andererseits müssen die vom Chitin zu entfernenden Naturstoffe bekannt sein, um den Downstream-Prozess entwerfen zu können. Für die Analytik der Rohstoffe und die Kontrolle der Aufarbeitungsschritte haben wir am Fraunhofer IGB verschiedene Methoden entwickelt.

Die eigens entwickelten Methoden ermöglichen zudem, weitere Wertstoffe in der Biomasse zu identifizieren, die in einem Koppel- und Kaskadenansatz ebenfalls gewonnen werden können. So haben wir in pilzlicher Biomasse beispielsweise einen hohen Glucangehalt detektiert, was eine weitere Wertschöpfung ermöglicht, aber auch eine Anpassung der Chitingewinnung notwendig macht.

Chitosan ist bei weitem das wichtigste Derivat des Chitins. Dieses Derivat ist – anders als Chitin – löslich in Wasser und verfügt damit ein weitaus breiteres Anwendungsspektrum. Der Chitosanherstellungsprozess selbst ist drastisch – zumindest was die Temperatur und die Zusammensetzung der Reaktionslösung betrifft.

Gegenüber der Chitinherstellung, die auch mit grundlegenden chemischen Kenntnissen durchgeführt werden kann, bedarf es bei der Chitosanherstellung daher ausgewiesener chemischer Expertise, zudem sind sicherheitsrelevante Aspekte zu beachten. Im Zuge unserer Untersuchungen ist es uns gelungen, verschiedene Methoden erfolgreich anzuwenden, die Reaktionsbedingungen abzumildern und weiter zu optimieren, Recyclingpotenziale zu erschließen und letztendlich hochreines Chitosan zu gewinnen.

Aufreinigung

Innovative Ansätze beinhalten auch den Transfer von Aufreinigungsmethoden aus der Isolierung anderer Naturstoffe. So werden z. B. chemisch-physikalische Prozesse wie das Organosolv-Verfahren auch zur Chitinaufbereitung angewendet. Eine Effizienzsteigerung und damit auch eine Ressourcenschonung wird durch eine maßgeschneiderte verfahrenstechnische Auslegung des Prozesses erreicht. Die Anpassung des Aufreinigungsverfahrens an die jeweilige Chitinressource basiert auf der Verwendung statistischer Werkzeuge, die in einer Reduktion von Abfallprodukten im Prozess resultiert. Etwaige anfallende Nebenprodukte werden nicht als Abfallstoff, sondern als Startpunkt einer neuen Wertschöpfung identifiziert. So könnten z. B. die Mineralien, die aus der Aufbereitung von Insekten- und Krabbenchitin gewonnen werden, potentiell als Zusatzstoff in Düngemitteln eingesetzt werden.

Die von uns entwickelten Aufreinigungstechniken zielen daraufhin ab, die Produkte später auch in einem großtechnischen Prozess in einer Großanlage realisieren zu können. Die für die Aufskalierung notwendigen Berechnungen sind ebenfalls Bestandteil unseres Portfolios.

Hahn, T., Roth, A., Ji, R., Schmitt, E., Zibek, S. 2020. Chitosan production with larval exoskeletons derived from the insect protein production. in: Journal of Biotechnology, Vol. 310, pp. 62-67. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2019.12.015

Hahn, T., Roth, A., Febel, E., Fijalkowska, M., Schmitt, E., Arsiwalla, T., Zibek, S. 2018. New methods for high-accuracy insect chitin measurement. in: Journal of the Science of Food and Agriculture, Vol. 98, pp. 5069-5073. Doi:10.1002/jsfa.9044