n een gezamenlijk project met de Universiteit van Stuttgart en LCS Life Cycle Simulation werken onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Interfacial Engineering en Biotechnologie IGB en het Fraunhofer Instituut voor Procestechniek en Verpakking IVV nu aan een holistisch concept voor het duurzaam gebruik van biologisch afbreekbare verpakkingsmaterialen in de cosmetica-industrie.

Dat meldt het Fraunhofer Instituut. Het project richt zich op polyhydroxyalkanoaten (PHA's), die vergelijkbare eigenschappen hebben als conventionele kunststoffen, maar geproduceerd worden op basis van micro-organismen en zonder gebruik te maken van fossiele grondstoffen.

Tot nu toe werden de bacteriën in het laboratorium van Dr. Susanne Zibek bij Fraunhofer IGB in Stuttgart gevoed met een hele reeks afvalstoffen, variërend van houtafval en olie- en suikerresten tot glycerol uit de productie van biodiesel. Elk van deze op koolstof gebaseerde voedingsbronnen zorgt ervoor dat de bacteriën specifieke intracellulaire opslagkorrels produceren. Deze zogenaamde polyhydroxyalkanoaten (PHA's) staan centraal in SusPackaging, een onderzoeksproject dat wordt uitgevoerd in samenwerking met Fraunhofer IVV in Freising, de Universiteit van Stuttgart en LCS Life Cycle Simulation, dat zich in de stad Backnang bevindt.

 

Onderzoekers van Fraunhofer IGB proberen biologisch afbreekbare polymeren te maken ter vervanging van plastic verpakkingen in de cosmetica-industrie. Wat het project onderscheidt is de poging om een volledig groene waardeketen op te zetten. Zoals Dr. Ana Lucía Vásquez-Caicedo van Fraunhofer IGB uitlegt, is een holistisch concept met een focus op duurzaamheid nieuw: "Veel studies concentreren zich op individuele aspecten, maar het komt zelden voor dat de hele procesketen tot aan een evaluatie van de kwaliteit van de materialen in aanmerking wordt genomen."

Het proces begint met het kweken van de bacterie. Dr. Susanne Zibek, groepsmanager van de Food Processing Technology Group, en haar collega Dr. Thomas Hahn onderzoeken hoe specifieke micro-organismen kunnen worden gebruikt om verschillende PHA's met verschillende structuren te produceren, en hoe de keuze van het 'voer' hun eigenschappen beïnvloedt. "In principe proberen we nieuwe structuurvarianten te creëren, zodat we kunnen zien of het geproduceerde polymeer geschikt is als verpakkingsmateriaal", legt Zibek uit. De werkgroep wordt ondersteund door onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart, die de verschillende eigenschappen van de micro-organismen onder de loep nemen, waaronder de mate waarin ze zich kunnen aanpassen aan giftige stoffen die in de natuurlijke voedingsbronnen zouden kunnen zitten.

 

Vervanging schadelijke oplosmiddelen

Voordat de PHA's kunnen worden verwerkt en getest, moeten ze eerst worden geëxtraheerd uit de micro-organismen. Dit is het specialisme van Vásquez-Caicedo, groepsmanager van de Food Processing Technology Group bij Fraunhofer IGB. In de regel maakt dit zogenaamde zuiveringsproces gebruik van oplosmiddelen zoals chloroform. Het doel is echter, zoals ze uitlegt, om af te stappen van milieubelastende oplosmiddelen. In plaats daarvan heeft zij een puur mechanisch/fysische methode van celverstoring ontwikkeld. Bekend als drukveranderingstechnologie (PCT), waarbij een procesgas wordt toegevoegd aan de fermentatiebrouwsel die de micro-organismen bevat. Het brouwsel wordt vervolgens onder druk gezet, waardoor het gas het cytoplasma van de cellen binnendringt. Een snelle drukverlaging in het brouwsel vernietigt de cellen en geeft de PHA vrij.

 

Na zuivering wordt de PHA in de vorm van een wit poeder naar Fraunhofer IVV in Freising gestuurd. Hier wordt het eerst omgezet in korrels en vervolgens in een polymeerfilm. Bij de eerste tests op kleine platen van dit polymeer is gekeken naar materiaaleigenschappen zoals thermische stabiliteit, plasticiteit en verschillende barrière-eigenschappen - essentieel als toekomstige verpakkingen bijvoorbeeld een effectieve bescherming tegen uitdroging moeten bieden aan cosmetische ingrediënten. 

 

Dr. Cornelia Stramm van Fraunhofer IVV is blij met de resultaten tot nu toe: "Sommige PHA-soorten blijken wat betreft hun mechanische eigenschappen nog steeds enigszins moeilijk te verwerken. We moeten daar een paar aanpassingen doen. Maar wat hun barrière-eigenschappen betreft, tonen PHA's een groot potentieel in vergelijking met andere biopolymeren." Aan het einde van elke testcyclus stuurt ze de resultaten terug naar Stuttgart, samen met aanbevelingen voor verdere actie, en dan begint het proces opnieuw. Op basis van deze feedback van Fraunhofer IVV heeft de werkgroep van Zibek bij Fraunhofer IGB haar voerstrategie aangepast. De bacteriën krijgen nu een extra cosubstraat, waardoor het valeraatgehalte van de PHA toeneemt, waardoor het eindproduct soepeler wordt.

Toekomst

Zodra de verschillende stappen zijn afgerond, zal een levenscyclusanalyse uitgevoerd door externe projectpartner LCS Life Cycle Simulation de energie-efficiëntie en duurzaamheid van het hele proces evalueren om het te vergelijken met bestaande processen. Alle drie de onderzoekers van Fraunhofer zien een groot potentieel voor PHA's. In de toekomst zouden ze met name voor kleine wegwerpverpakkingen een echt alternatief kunnen bieden voor conventionele kunststoffen op basis van aardolie.