Films et revêtements à base de résidus contenant de la chitine
Bioraffinerie pour le traitement de la chitine et la production de chitosan de haute qualité
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Le traitement des crustacés issus de la pêche, la production de protéines d'insectes ou la culture de champignons génèrent de grandes quantités de résidus contenant de la chitine. Le Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB a établi une chaîne de processus pour le traitement de la chitine afin de valoriser ces flux de déchets. Les technologies permettent de produire du chitosan de grande pureté, qui peut être utilisé entre autres pour des revêtements durables. Les films transparents fabriqués à partir de chitosane conviennent comme emballages jetables biodégradables et pourraient remplacer les plastiques issus du pétrole.
Le biopolymère chitine est un matériau structurel produit principalement par les crustacés, les insectes et les champignons et est - après la cellulose végétale - le deuxième biopolymère le plus répandu sur la terre. En raison de sa teneur en azote, la chitine est déjà utilisée comme engrais et améliorateur de sol dans l'agriculture ou pour la production de chitosan. Jusqu'à présent, seule la chitine extraite de la carapace de crabe a été utilisée commercialement. Mais l'industrie alimentaire et la biotechnologie produisent de plus en plus de centaines de milliers de tonnes de résidus contenant de la chitine : Les peaux d'insectes issues de la production de protéines d'insectes, les résidus mycéliens issus de la fermentation avec des champignons ou les déchets de coupe issus de la culture de champignons.
Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des surfaces limites et des bioprocédés (IGB) ont désormais réussi à exploiter également les exosquelettes d'insectes ainsi que les résidus mycéliens issus de la fermentation fongique comme source de chitine pour la production de chitosan. Pour ce faire, l'institut a mis en place une chaîne de processus pour la préparation de la chitine, dans laquelle les flux de résidus et de déchets sont préparés selon le principe d'une bioraffinerie et transformés en matériaux de valeur.
Les films de chitosan conviennent bien aux applications d'emballage en raison de leur élasticité et de leur transparence équilibrées.
© Fraunhofer IGB
Extraction en douceur de la chitine à partir de différentes sources
La composition des résidus contenant de la chitine diffère d'un organisme à l'autre. La chitine de la carapace de crabe et des insectes, par exemple, doit être débarrassée des dépôts de calcaire et des protéines, tandis que la chitine du mycélium des champignons est souvent liée aux glucanes. "Nous avons adapté nos processus d'extraction de la chitine aux différents résidus et avons adapté les étapes de séparation et de préparation nécessaires à la composition chimique correspondante", explique le Dr Thomas Hahn, qui étudie depuis de nombreuses années la préparation de la chitine au Fraunhofer IGB. Il s'agissait également de développer ou d'affiner des méthodes d'analyse pour évaluer le succès du traitement. En effet, seule la connaissance de la composition chimique exacte des biomasses contenant de la chitine permet un traitement adapté de cette précieuse matière première. Grâce à des méthodes d'analyse nouvellement établies, le chercheur contrôle ainsi la teneur en chitine des produits intermédiaires après chaque étape de purification.
Durable et économique à la fois
Pour que les propriétés physico-chimiques de la chitine soient préservées, celle-ci doit être séparée le plus délicatement possible du reste de la biomasse. Hahn utilise donc de préférence des milieux aqueux ou recourt à des enzymes pour pouvoir éliminer sélectivement les impuretés. Pour que la mise en œuvre industrielle ultérieure soit également rentable, le chimiste évalue et optimise les différentes étapes du processus dès l'échelle du laboratoire en vue d'une mise à l'échelle. "Si, par exemple, les solvants, les réactifs ou les eaux de lavage peuvent être réduits ou recyclés, cela a un effet positif sur les coûts de l'ensemble du procédé", sait Hahn.
Conversion optimisée de la chitine en chitosane
Le chitosan, soluble dans l'eau et donc utilisable dans de nombreux domaines, est obtenu par désacétylation de la chitine. Mais la production de chitosane à partir de chitine n'est pas triviale et nécessite un doigté chimique et de l'expérience. Habituellement, le processus se déroule à des températures élevées et dans des conditions chimiques drastiques. "Au cours de nos longues années de recherche, nous avons pu atténuer les conditions de réaction, les optimiser davantage et augmenter le rendement", explique Hahn. Grâce à des étapes de purification appropriées, le chimiste obtient du chitosan d'une pureté de plus de 90 pour cent - à partir de coquilles de crabes, de mycélium de champignons et de peaux d'insectes.
L'analyse du poids moléculaire, du degré de désacétylation et de purification de chaque produit à base de chitosan fournit déjà les premières indications sur les applications possibles. Dans le test de plaque de coulée de solvant qu'il a lui-même développé, au cours duquel la formation d'un film et la capacité de gonflement sont contrôlées, Hahn détecte également d'éventuelles incompatibilités avec des agents de réticulation.
Chitosan : un biopolymère polyvalent pour remplacer les polymères à base de pétrole
Le chitosan est extrêmement polyvalent : il a un effet antibactérien et anti-odeur, il a des propriétés de régulation de l'adhérence et de la viscosité, il peut former des films - et il est entièrement biodégradable. En raison de ses propriétés antimicrobiennes et hémostatiques et de son excellente biocompatibilité, le chitosan est utilisé dans les pansements et sa capacité à retenir l'humidité est déjà exploitée par l'industrie cosmétique sous forme de composants hydratants et de soins de la peau dans les crèmes et les lotions.
Comme le biopolymère fournit des sites de liaison pour d'autres fonctionnalités ou molécules, Hahn l'a en outre modifié de différentes manières dans le cadre d'une collaboration interne à l'institut. Il peut ainsi servir de matrice pour un apprêt hydrophobe sans fluor pour les textiles ou de floculant biosourcé pour le traitement des eaux usées complexes.
Sa capacité à former des films prédestine le biopolymère aux revêtements et aux films pour remplacer les polymères à base de pétrole. Hahn a fabriqué des films transparents après avoir ajouté des agents de réticulation biosourcés. "En raison de leur élasticité et de leur transparence équilibrées, les films de chitosane conviennent parfaitement comme emballage jetable durable, biosourcé et biodégradable, par exemple dans l'industrie alimentaire", explique Hahn. Autre avantage : l'utilisation industrielle de ressources disponibles localement permet de remplacer les matières premières fossiles et de réduire la dépendance vis-à-vis des chaînes d'approvisionnement internationales.
CHITIN [C8H13NO5] shelter : prototypes de design textile en fibres filées.
Inspirée par l'origine naturelle et les propriétés du matériau, l'équipe de designers de SurrealLabor a exploré le chitosan comme matière première pour des applications textiles. Dans le cadre du projet "CHITIN [C8H13NO5] shelter" soutenu par le réseau Fraunhofer "Science, art et design" et avec le soutien scientifique de Thomas Hahn, ils ont tendu des fils de chitosane sur une installation de laboratoire spécialement construite à cet effet, en utilisant des procédés d'extrusion et de filage humide, et les ont transformés en un tissu textile servant de prototype de design. En produisant, en développant et en optimisant le filage du chitosane, l'équipe entend exploiter une nouvelle ressource biosourcée pour l'industrie textile et contribuer à une vision de l'économie circulaire de demain.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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