Chitin-Bioraffinerie: Raffinierung chitinhaltiger Reststoffe zur Herstellung von Chitin und Chitosan

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. 

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.

Analyse der Chitin-Rohstoffe und Kontrolle der Chitin-Aufarbeitung

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.

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 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.

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