Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBDas Fraunhofer IGB ist Ihr Partner für alle Fragestellungen und Anwendungen rund um Chitin und Chitosan: Wir unterstützen Sie dabei, Ihren chitinhaltigen Abfallstrom einer stofflichen Wertschöpfung zuzuführen, Chitin und Chitosan in hoher Reinheit herzustellen, zu analysieren und mögliche Anwendungen zu untersuchen. Mit unserem Know-how und unserer Expertise und gemeinsam mit unseren Partnern haben wir beispielsweise Chitosan zur wasserabweisenden Veredlung von Textilien eingesetzt oder die für die Wasseraufbereitung geeignetsten Chitosane bestimmt. Mit dem Prozess der Chitinaufreinigung wird Ihr Abfall zur wertvollen Ressource.
Insektenkokons als nachwachsende Chitinquelle.
© Fraunhofer IGB
Chitin-Bioraffinerie: Raffinierung chitinhaltiger Reststoffe zur Herstellung von Chitin und Chitosan
Von der Raffinierung agroindustrieller Abfallströme bis zum Ersatz petrobasierter Polymere mit Chitosan
Insektenkokons als nachwachsende Chitinquelle.
Chitin wird von vielen 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 Chitin 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 auf Chitin, welches aus Krabbenschalen gewonnen wurde.
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 ist es uns gelungen, mit unserer Expertise auch diese Ressourcen als Chitinquelle nutzbar zu machen.
Unser Lösungsansatz
Isolierung und Aufreinigung von Chitin aus unterschiedlichen Quellen
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.
Wirtschaftlichkeit durch Optimierung und Skalierung
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 (z. B. Enzyme) zur Aufreinigung ein. 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.
Methoden zur Analyse der Chitin-Rohstoffe und Kontrolle der Chitin-Aufarbeitung
Die Kenntnis über die Zusammensetzung der Ausgangsbiomasse ist ein Muss. Einerseits kann der Aufreinigungserfolg über entsprechende Analysen beurteilt und kontrolliert werden, andererseits müssen die vom Chitin zu entfernenden Naturstoffe bekannt sein, um den Downstream-Prozess entwerfen und wirtschaftlich umsetzen zu können. Für die Analytik der Rohstoffe und die Kontrolle der Aufarbeitungsschritte haben wir am Fraunhofer IGB je nach Anforderungen des Ausgangsreststoffs verschiedene Methoden entwickelt.
Identifizierung weiterer Wertstoffe
Unsere eigens entwickelten Methoden ermöglichen zudem, weitere Wertstoffe in der Biomasse zu identifizieren, um sie in einem Koppel- und Kaskadenansatz ebenfalls als reine Fraktion zu gewinnen. So haben wir beispielsweise in pilzlicher Biomasse einen hohen Glucangehalt nachgewiesen. Dies ermöglicht eine weitere Wertschöpfung der Biomasse, macht aber eine Anpassung der Chitingewinnung notwendig. Ebenso können Mineralien, die aus der Aufbereitung von Insekten- und Krabbenchitin gewonnen werden, potenziell als Zusatzstoff in Düngemitteln eingesetzt werden.
Aus Insektenhäuten aufgereinigtes Chitosan.
Konversion von Chitin zu Chitosan
Chitosan ist bei weitem das wichtigste Derivat des Chitins. Dieses Derivat ist – anders als Chitin – löslich in Wasser und verfügt damit über ein weitaus breiteres Anwendungsspektrum. Der Chitosanherstellungsprozess selbst ist drastisch – zumindest in Bezug auf die Temperatur und die Zusammensetzung der Reaktionslösung.
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. Je nach Molekulargewicht und Deacetylierungsgrad ändert sich die Viskosität und die Löslichkeit stark, das Chitosan ändert zudem mit dem pH-Wert seine elektronischen Eigenschaften, Inkompatibilitäten mit anderen Stoffen sind nicht ungewöhnlich. Hier ist vor allem Erfahrung im Umgang und Kenntnis über die Eigenschaften des Chitosans gefragt.
Im Zuge unserer Untersuchungen ist es uns gelungen, verschiedene Methoden zur Herstellung von Chitosan erfolgreich anzuwenden, die Reaktionsbedingungen abzumildern und weiter zu optimieren, Recyclingpotenziale zu erschließen und letztendlich hochreines Chitosan zu gewinnen.
Alleinstellungsmerkmale: So profitieren Sie von unserer Expertise
Wir schaffen Mehrwert aus einem chitinhaltigen Reststoff- oder Abfallstrom. Chitinhaltige agroindustrielle Reststoffe finden derzeit beispielsweise als Tierfutter Verwendung. Doch die Tierhaltung in Deutschland ist rückläufig ist, Alternativen sind also gefragt.
Wir sind Spezialisten für die Analytik, die Aufbereitung von chitinreichen Abfallströmen und die Herstellung einer applizierbaren Form der aufgereinigten Produkte. Zusätzlich versuchen wir, die Prozesse möglichst so zu gestalten, dass auch weitere Produkte zusätzlich zu Chitin/Chitosan in einer Koppel- und Kaskadennutzung gewonnen werden können. Kurzum: Wir können Lösungen entlang der ganzen Wertschöpfungskette anbieten.
Durch mehr als zehnjährige Forschungstätigkeit haben wir eine große Expertise im Handling von Chitin/Chitosan aufbauen können. Zusätzlich haben wir am Fraunhofer IGB die Möglichkeiten geschaffen, Chitosan und seine Eigenschaften umfassend zu analysieren, um so die geeignetsten Anwendungsgebiete zu identifizieren. Gemeinsam mit unserem Partner-Netzwerk haben wir bereits Anwendungen von Chitosan in den Bereichen Textilveredlung und Wasseraufbereitung untersucht.
Anwendungen von Chitosan
Chitosan findet bereits Verwendung in der Textilindustrie, beispielsweise zum Schutz des Garns beim Weben. Aufgrund seiner chemischen Struktur mit Bindestellen für weitere Funktionalitäten haben wir das nachwachsende Biopolymer darüber hinaus zur nachhaltigen Veredlung und fluorfreien Hydrophob-Ausrüstung von Baumwolle, Polyester und Mischgeweben modifiziert.
Zudem kann Chitosan als biobasiertes Flockungsmittel für die Aufbereitung komplexer Abwässer genutzt werden. Mit LaChiPur haben wir am Fraunhofer IGB ein biobasiertes und funktionalisiertes Flockungsmittel entwickelt, mit dem sich Abwässer mit komplexen Inhaltsstoffen effizient aufreinigen lassen. Dabei sorgt das Enzym Laccase in einer Matrix aus Chitosan zusätzlich dafür, dass toxische Phenole aus dem Wasser entfernt werden.
Am Institut setzen wir Chitin zudem als biobasiertes Material zur Herstellung von Mikro- und Nanopartikeln zur Verkapselung und als Freisetzungssysteme ein.
Einsatzmöglichkeiten im Überblick
- Textilindustrie: Schlichtemittel, Vorlage für wasserabweisende und flammhemmende Ausrüstung, geruchshemmende Ausrüstung
- Abwasserreinigung: Flockungsmittel zur Entfernung von Schwermetallen und Schwebstoffen
- Verpackung: biobasierte Beschichtung und essbares Material
- Pharmazie und Medizin: Wundauflagen, Drug-Delivery-Systeme, antimikrobielle Beschichtungen
- Kosmetik: Feuchtigkeitsspender und hautpflegender Zusatz in Cremes und Lotionen
- Lebensmittelverarbeitung: Klärung von Flüssigkeiten, Unterdrückung von Fehlaromen
- Landwirtschaft: Pflanzenschutzmittel, Saatgutbeschichtungen und Bodenverbesserungsmittel
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Zusammenarbeit
Zusammenarbeit
Ihre Herausforderungen und Fragestellungen
Sie haben einen chitinreichen Abfallstrom, der bisher nicht oder nur thermisch verwertet wird?
Sehen Sie diesen Strom nicht nur als Abfall an, sondern als neuen Wertstoff. Herausforderungen gibt es einige: Die genaue Zusammensetzung ist nicht bekannt, die bisherige Verfahrensweise ist bequem und etabliert, die Anwendung potenziell neuer Produkte aber ist noch unbekannt. Wir können helfen, Antworten auf diese Fragen zu geben. Um alternative Anwendungen für Ihre Reststoffe zu identifizieren, sind etwa Literatur-, Patent- und Marktrecherchen ein guter Start.
Oder haben Sie ein petrochemisches Produkt/Polymer, welches seit Jahren zuverlässig in verschiedensten Anwendungen funktioniert?
Eine Umstellung auf eine biobasierte und nachaltige Alternative ist in den nächsten Jahren wohl unumgänglich: Das Bewusstsein der Konsumenten und damit auch der Industrie ändert sich, ebenso die Gesetzgebung. Zudem sind Hersteller bei der Zulieferung momentan abhängig von wenigen außereuropäischen Quellen. Vielleicht kann das vielseitig einsetzbare Chitosan zumindest einen Teil der bisherigen Inhaltsstoffe ersetzen. Doch ist es kompatibel mit anderen Inhaltsstoffen und wenn ja, welches Chitosan ist am besten geeignet? Das untersuchen wir für Sie.
Sie setzen bereits Chitin und Chitosan ein, sehen aber im Handling und in der Performance noch Verbesserungspotenzial?
Tatsächlich sind die Eigenschaften der Polymere sehr stark von Deacetylierungsgrad und Molekulargewicht abhängig, ebenso von der Reinheit. Wir zeigen Ihnen Möglichkeiten, vor allem Chitosan »upzugraden«. Quervernetzungen sowie die enzymatische oder die chemische Modifikation von Chitosan sind ebenfalls in unserem Portfolio.
Was wir für Sie tun
Wir beraten Sie gerne bei allen Fragestellungen rund um die Aufbereitung von Chitin aus unterschiedlichsten Quellen, bei der Analytik und führen erste Machbarkeitsuntersuchungen zur Anwendung von Chitin oder Chitosan in unseren Labors durch.
Um die Wirkung des isolierten Chitosans einschätzen zu können, ist beispielsweise die Kenntnis über verschiedene signifikante Parameter wie Deacetylierungsgrad und Molekulargewicht notwendig. Zur Anwendung wird das Chitosan üblicherweise nicht alleinig, sondern in Kombination mit anderen Stoffen, in sogenannten Formulierungen, eingesetzt. Kompatibilitäten sind daher mit verschiedenen Stoffen notwendig. In beiden Fällen können wir Sie mit Machbarkeitsuntersuchungen unterstützen.
Bei umfangreichen Projekten unterstützen wir gerne auch bei der Suche nach öffentlichen Mitteln (Bund, Land, EU) und stellen mit Ihnen einen Projektantrag beim Fördermittelgeber.
Kontaktieren Sie uns!
Haben Sie weitergehende Fragen oder ein hier nicht aufgeführtes Anliegen? Auch dann kommen Sie gerne auf uns zu, um dies in einem Gespräch zu erörtern. Wir freuen uns auf Ihren Anruf oder Ihre E-Mail und vereinbaren gerne ein erstes unverbindliches Gespräch.
Leistungsspektrum
Leistungsspektrum
Das Fraunhofer IGB ist Ihre zentrale Anlaufstelle für alles rund um Chitin und Chitosan – von den Ressourcen über die Analyse bis hin zur Anwendung.
Folgende Leistungen bieten wir im Kundenauftrag und im Rahmen von Verbundprojekten an:
Recherche, Beratung
- Literatur- und Patentrecherchen zu Chitin- und Chitosan-Ressourcen, -Verfahren und -Anwendungen
Analytik
- Bestimmung des Chitingehalts und der chemischen Zusammensetzung chitinhaltiger Materialien/Reststoffe
- Chitinanalytik: Messung von Asche, Reinheit und Acetylierungsgrad
- Chitosan-Analytik einschließlich Molekulargewicht, Deacetylierungsgrad, Filmbildung, Quellung und Reinheit
Gewinnung von Chitin
- Prozessentwicklung vom Rohstoff bis zum Chitin, einschließlich:
- Evaluierung des Einsatzes von biotechnologischen Tools, z. B. Aufreinigung mittels Enzymen
- Untersuchung von Optimierungspotenzialen (Waschwasserreduktion usw.)
- Bewertung der wichtigsten Prozessparameter
- Scale-up der Aufreinigungsschritte
- Bewertung der ganzheitlichen Verwertung der Rohbiomasse
- Herstellung von Mustermengen Chitin im Gramm-Maßstab
Herstellung von Chitosan, Modifikation und Anwendungstests
- Chemische Chitin-Deacetylierung zur Herstellung von Chitosan
- Herstellung von Mustermengen Chitosan im Gramm-Maßstab
- Enzymatische Chitosanmodifikationen und Quervernetzungen
- Testen verschiedener Chitosan-Vernetzer in unserem selbst entwickelten, plattenbasierten Assay
- Untersuchung der Eignung von Chitosanen für verschiedene Anwendungsbereiche einschließlich Kompatibilitätstests
Ausstattung
Ausstattung
- Titrator mit Probenwechsler zur Bestimmung des Deacetylierungsgrads von Chitin und Chitosan
- Infrarot-Spektrometer zur Bestimmung des Deacetylierungsgrades und zur Bestätigung der funktionellen Gruppen von Chitin und Chitosan
- NMR-Spektroskopie zur Bestimmung des Deacetylierungsgrades und der Reinheit des Chitosans
- Viskosimeter zur Bestimmung der Viskosität von Chitosanlösungen (Pumpfähigkeit, Handling) und des Molekulargewichts (MV)
- Soxhlet-Apparaturen in verschiedenen Größen zur quantitativen Bestimmung des Fettgehalts und zur präparativen Entfettung
- 25- und 50-L-Reaktoren zur Chitinaufreinigung im größeren Maßstab
- Unterschiedliche Filterarten und -größen (Dead-End, kontinuierlich) zur Auslegung der Filtration im Pilotmaßstab
Vorträge (Videos)
Vortrag »Chitin extraction and chitosan production from non-marine sources«
Vortrag beim Euchis Webinar #3 - Thomas Hahn & Stefan Cord-Landwehr am 29. Juni 2021
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Gehalten auf dem 3. Bioeconomy Congress am 21.9.2020 in der Session: »Innovative fibers and technical textiles derived from biomass«
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Video: Anwendung von Chitosan in der Textilindustrie
bioökonomie.de – eine Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) – zeigt im Video wie die Digitalisierung und innovative Materialien die Textilbranche verändern.
