Grupa naukowców z Wyss Institute mieszczącego się na Harvard University w Stanach Zjednoczonych opracowała przemysłową metodę pozyskiwania biopolimeru z muszli krewetek. Dzięki temu produkcja przedmiotów codziennego użytku, począwszy od obudów telefonów komórkowych, opakowań dla żywności i zabawek może być prowadzona przy użyciu w pełni biodegradowalnego, bezpiecznego dla środowiska materiału, który wykazuje wiele takich samych właściwości jak powszechnie stosowane syntetyczne tworzywa.
Obecnie wiekszość biopolimerów wytwarzanych jest z celulozy. Materiał na bazie roślinnych polisacharydów w czystej postaci jest białą, pozbawioną smaku i zapachu, nierozpuszczalną w wodzie substancją. Stanowi on składnik budulcowy ścian komórkowych roślin wyższych oraz niektórych glonów, grzybów i bakterii. Występuje z innymi substancjami podporowymi (np. ligniną, pektyną, hemicelulozą). Najwięcej celulozy zawierają niektóre włókna np. lnu lub juty oraz włoski okrywające nasiona bawełny (nawet ponad 90%). Przeciętne drewno zawiera 45-60% celulozy. Badacze z Wyss Institute zaproponowali fabrykację biopolimeru z chitozanu (pochodnej chityny), drugiego po celulozie najczęściej występującego materiału organicznego na Ziemi. Odpadowy, naturalny składnik nie wymaga wycinania drzew, ani nie zagraża źródłom żywności. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane 4 marca 2014 roku w czasopiśmie Macromolecular Materials & Engineering.
Chitozan jest długim, liniowym polisacharydem składającym się z losowo rozmieszczonych części deacetylowanej (beta-(1,4)-D-glukozamina) i części acetylowanej (N-acetylo-D-glukozamina). Wielocukier ten uzyskuje się w wyniku częściowej deacetylacji chityny (powyżej 50%). Bardziej rozpowszechnionym w przyrodzie związkiem jest jednak chityna o wysokim stopniu acetylacji, występująca m.in. jako składnik zewnętrznych szkieletów stawonogów. Z tego powodu, głównym źródłem chitozanu (czyli chityny o niskim stopniu acetylacji) są odpady deacetylowane w wyniku kąpieli w wodorotlenku sodu. Dlatego w tym przypadku pozostałości pochodzące np. z produkcji żywności – owoców morza są cennym elementem w produkcji biopolimeru. Oprócz tego, naturalną zaletą chitozanu jest jego zdolność do tworzenia rozpuszczalnych w wodzie soli.
Biozgodne i nietoksyczne związki już wcześniej znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle. Znane jest wykorzystanie chityny i chitozanu w medycynie jako materiałów opatrunkowych, hamujących krwawienie i przyspieszających gojenie (proszki, tkaniny, żele, gąbki). Specyfiki z chitozanem tworzą na skórze delikatną warstwę ochronną zabezpieczającą przed działaniem szkodliwych czynników zewnętrznych oraz skutecznie zatrzymującą wodę w skórze. Silne właściwości nawilżające powodują, że jest chętnie używany jako składnik kosmetyków pielęgnacyjnych. Stosowany jest również w rolnictwie jako nawóz do zaprawiania nasion i biologiczny środek ochrony roślin zwalczający zakażenia grzybicze.
Tym razem, zespół kierowany Javiera Fernandeza i Dona Ingbera był pierwszym, któremu udało się wykorzystać naturalny materiał do produkcji dużych, złożonych, trójwymiarowych kształtów. Przedmioty zostały wykonane przy użyciu tradycyjnych metod odlewania i formowania wtryskowego (m.in. figury do gry w szachy). Ponadto, biopolimer z chitozanu ulegał całkowitemu rozkładowi w ciągu około dwóch tygodni po powrocie do środowiska. Efektywnie uwalnianie składników odżywczych zawartych w materiale skutecznie wspierało wzrost roślin. Kilka lat wcześniej ci sami badacze wytworzyli biodegradowalny kompozyt z chitozanu pochodzącego ze skorupek krewetek oraz białek z jedwabiu. Folie z materiału o nazwie Shrilk były cienkie, przezroczyste, elastyczne, wytrzymałe i 50% lżjesze od ich aluminiowych odpowiedników. Teraz naukowcy udoskonalili technologię wykorzystując wyłącznie chitozan (bez jedwabiu), co wpłynęło na obniżenie kosztów i łatwiejszą fabrykację. Jak podkreślają inżynierowie, geometria cząsteczkowa chitozanu jest bardzo wrażliwa na czynniki formowania. Temperatura i stężenie ma wpływ na właściwości mechaniczne chitozanu na poziomie molekularnym. Dlatego zanim końcowy materiał ujrzał światło dzienne, przeprowadzono szereg testów umożliwiających uzyskanie pożądanych własności. Zespołowi udało się także rozwiązać problem skurczu i zniekształcenia elementów po zakończeniu formowania wtryskowego poprzez dodanie mączki drzewnej.
Czy biopolimer wkrótce zawojuje świat? Według danych przedstawionych przez naukowców wytworzenie jednego kilograma chitozyny kosztuje około 10-15$ (dla porównania za kilogram poliamidu 6, popularnego nylonu trzeba zapłacić 4,3$; za poliwęglan 4,9$; polietylen 3$; LDPE 1,93$). Jak widać cena biopolimeru jest około 3-4 razy wyższa niż tworzyw syntetycznych. Jednakże, w przeciwieństwie do sztucznych polimerów, chitozan jest w pełni biodegradowalny i może być sprzedawany jako nawóz, ze względu na dużą zawartość azotu. Może to równoważyć niektóre z kosztów składowania i recyklingu. Ponadto, wiele polimerów o specjalnych zastosowaniach (np. PEEK, PES i PPS) kosztuje więcej niż 10$/kg, a nawet 25$ za kilogram PPSU. Badacze przypominają, że większość tworzyw sztucznych produkowanych jest obecnie z ropy naftowej, a cena ich wytworzenia prawdopodobnie znacznie wzrośnie w ciągu najbliższych pięćdziesięciu lat. Ogromne postępy poczynione ostatnio w dziedzinie fabrykacji biopolimerów oraz zapotrzebowanie na ekologicznie materiały mogą wpłynąć na zastąpienie istniejących, niedegradowalnych tworzyw sztucznych w produkcji komercyjnej.
Źródło:
[1] Javier G. Fernandez, Donald E. Ingber. Manufacturing of Large-Scale Functional Objects Using Biodegradable Chitosan Bioplastic. Macromolecular Materials and Engineering, 2014; DOI: 10.1002/mame.201300426
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/mame.201300426 [12.03.2014]
[3] http://onlinelibrary.wiley.com/store/10.1002/mame.201300426/asset/supinfo/mame201300426-sm-0001-SuppFigs.pdf?v=1&s=c823653a5ef112e72bcb3feb551eb86fc4e06978 [12.03.2014]
[4] http://wyss.harvard.edu/viewpressrelease/144 [12.03.2014]
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Chitosan [12.03.2014]
[6] Shrilksheet By Alt1979, CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons