Películas y revestimientos fabricados con residuos que contienen quitina
Biorrefinería para procesar quitina y producir quitosano de alta calidad
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El procesamiento de crustáceos procedentes de la pesca, la producción de proteínas de insectos o el cultivo de setas generan grandes cantidades de residuos que contienen quitina. El Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB ha establecido una cadena de procesos para el tratamiento de la quitina con el fin de utilizar estos flujos de residuos con un valor añadido. Las tecnologías permiten producir quitosano de gran pureza, que puede utilizarse, entre otras cosas, para revestimientos sostenibles. Las películas transparentes hechas de quitosano son adecuadas como envases biodegradables desechables y podrían sustituir a los plásticos fabricados a partir de petróleo crudo.
El biopolímero quitina está formado como material estructural principalmente por crustáceos, insectos y hongos, y es el segundo biopolímero más común en la Tierra después de la celulosa vegetal. Por su contenido en nitrógeno, la quitina ya se utiliza como fertilizante y acondicionador del suelo en la agricultura o para la producción de quitosano. Hasta ahora, sin embargo, sólo se ha utilizado comercialmente la quitina extraída de caparazones de cangrejo. Sin embargo, la industria alimentaria y la biotecnología producen cada vez más cientos de miles de toneladas de residuos que contienen quitina en todo el mundo: Pieles de insectos procedentes de la producción de proteínas de insectos, residuos miceliales de la fermentación con hongos o restos de poda del cultivo de setas.
Los investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB han conseguido ahora utilizar exoesqueletos de insectos y residuos que contienen micelio procedentes de la fermentación con hongos como fuente de quitina para la producción de quitosano. Con este fin, el instituto ha establecido una cadena de procesos para la preparación de quitina, en la que los flujos residuales y de desechos se procesan según el principio de una biorrefinería y se convierten en materiales valiosos.
Las películas de quitosano son muy adecuadas para aplicaciones de envasado por su equilibrada elasticidad y transparencia.
© Fraunhofer IGB
Extracción cuidadosa de quitina de diversas fuentes
La composición de los residuos que contienen quitina difiere de un organismo a otro. La quitina del caparazón de los cangrejos y de los insectos, por ejemplo, debe liberarse de los depósitos de calcio y de las proteínas, mientras que la quitina del micelio de los hongos suele estar unida a glucanos. "Hemos adaptado nuestros procesos de extracción de quitina a los distintos residuos y hemos adaptado los pasos de separación y procesamiento necesarios a la composición química respectiva", explica el Dr. Thomas Hahn, que lleva muchos años investigando el procesamiento de la quitina en el Fraunhofer IGB. Esto también incluía el desarrollo o perfeccionamiento de métodos analíticos para evaluar el éxito del procesado. Sólo conociendo la composición química exacta de la biomasa que contiene quitina se puede armonizar el procesamiento de esta valiosa materia prima. El investigador utiliza métodos analíticos recientemente establecidos para comprobar el contenido de quitina de los productos intermedios después de cada paso individual de purificación.
Sostenible y económico al mismo tiempo
Para preservar las propiedades químicas y físicas de la quitina, ésta debe separarse de la biomasa restante de la forma más cuidadosa posible. Por ello, Hahn prefiere utilizar medios acuosos o enzimas para eliminar selectivamente las impurezas. Para garantizar que la posterior aplicación industrial también resulte económica, el químico evalúa y optimiza los pasos individuales del proceso a escala de laboratorio con respecto a la ampliación. "Si, por ejemplo, se pueden reducir o recircular los disolventes, los reactivos o el agua de lavado, esto tiene un efecto positivo en los costes del proceso global", afirma Hahn.
Conversión optimizada de quitina en quitosano
El quitosano, soluble en agua y por tanto versátil, se produce por desacetilación de la quitina. Sin embargo, la producción de quitosano a partir de quitina no es trivial y requiere delicadeza química y experiencia. El proceso suele realizarse a altas temperaturas y en condiciones químicas drásticas. "En el transcurso de nuestros muchos años de trabajo de investigación, hemos sido capaces de mitigar las condiciones de reacción, optimizarlas aún más y aumentar el rendimiento", afirma Hahn. Con los pasos de purificación adecuados, el químico consigue quitosano con una pureza superior al 90%, tanto de caparazones de cangrejo como de micelio de hongos y pieles de insectos.
El análisis posterior del peso molecular, el grado de desacetilación y la purificación del respectivo producto de quitosano ya proporciona indicaciones iniciales de posibles aplicaciones. Hahn también detecta posibles incompatibilidades con reticulantes en el ensayo de placa de colada con disolvente, especialmente desarrollado, en el que se comprueba la formación de película y la capacidad de hinchamiento.
Chitosán: biopolímero versátil como sustituto de los polímeros derivados del petróleo
El quitosano es extremadamente versátil: tiene un efecto antibacteriano e inhibidor del olor, posee propiedades de adherencia y regulación de la viscosidad, puede formar películas y es completamente biodegradable. Gracias a sus propiedades antimicrobianas y hemostáticas y a su excelente biocompatibilidad, el quitosano se utiliza en apósitos para heridas; la industria cosmética ya aprovecha su capacidad para retener la humedad, en forma de componentes hidratantes y protectores de la piel en cremas y lociones.
Como el biopolímero ofrece sitios de unión para otras funcionalidades o moléculas, Hahn también lo ha modificado de varias formas en colaboración con el instituto. Por ejemplo, puede utilizarse como matriz para un acabado hidrófobo sin flúor para textiles o como floculante de base biológica para tratar aguas residuales complejas.
La capacidad de formar películas predestina al biopolímero para revestimientos y películas que sustituyan a los polímeros derivados del petróleo. Hahn ha producido películas transparentes tras añadir reticulantes de origen biológico. "Gracias a su equilibrada elasticidad y transparencia, las películas de quitosano son ideales como envases desechables sostenibles, bioderivados y biodegradables, por ejemplo en la industria alimentaria", explica Hahn. Otra ventaja es que la utilización industrial de recursos disponibles localmente puede sustituir a las materias primas fósiles y reducir la dependencia de las cadenas de suministro internacionales.
Abrigo de CHITIN [C8H13NO5]: prototipos de diseño textil hechos con fibras hiladas
Inspirado por el origen natural y las propiedades del material, el equipo de diseño SurrealLabor exploró el quitosano como materia prima para aplicaciones textiles. En el proyecto "Refugio CHITIN [C8H13NO5]", financiado por la red Fraunhofer "Ciencia, Arte y Diseño" y con el apoyo científico de Thomas Hahn, hilaron hilos de quitosano en un sistema de laboratorio construido específicamente para este fin mediante procesos de extrusión e hilatura húmeda y los transformaron en un tejido textil como prototipo de diseño. Con la producción, el perfeccionamiento y la optimización de la hilatura de quitosano, el equipo pretende desarrollar un nuevo recurso de base biológica para la industria textil y contribuir a una visión de la economía circular del mañana.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Alemán se puede encontrar aquí.
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