Téma týdne

Ionty, mlýnek, bakterie: když se krunýře korýšů mění v biodegradabilní plast

Před několika lety vědci narazili na nový biodegradabilní materiál. Jeho zpracování by mohlo konkurovat výrobě syntetických plastů. Jde o chitosan, základní složku chitinu, který je spolu s uhličitanem vápenatým stavebním materiálem krunýřů mořských korýšů. Statisíce tun odpadu se můžou proměnit na levné a zcela rozložitelné obaly potravin. Ukázalo se však, že metoda oddělení chitosanu od zbytku krunýře není dostatečně ekologická. Proto se vědecké týmy z celého světa zaměřily na vývoj přijatelnějších způsobů. Jaké komplikace přinášel starý způsob derivace, kde se nachází současný metodický vývoj a jak se chitosan používá?

Ionty, mlýnek, bakterie: když se krunýře korýšů mění v biodegradabilní plast
Ionty, mlýnek, bakterie: když se krunýře korýšů mění v biodegradabilní plast

Text: Barbora Čápová • Úvodní foto: Mari Signum Company

Chitosan je po celulóze nejrozšířenějším polysacharidem v přírodě. V roce 2014 jsme popisovali tehdy převratnou technologii Javiera Fernandeze a Donalda Ingberema z amerického Wyss Institutu. Ti přišli s technikou tradičního lití či vstřikování, což umožnilo transformaci materiálu do podob nejrůznějších výrobků denního užití. Během následujících let se díky svým mnohostranným vlastnostem chitosan dostal do dalších průmyslových odvětví, především do kosmetického a lékárenského průmyslu (je netoxický a antibakteriální). Podnikatelé v něm spatřovali velký tržní potenciál, výzkumníci zase environmentálně šetrnou alternativu k produkci různých plastových hmot. Krabů, krevet a humrů se za jeden rok vyloví až 8 milionů a jejich ulity končí bez využití na skládkách nebo zpátky v mořích. V rámci toho se přeměna krunýřů na plast zdála opravdu přelomovou myšlenkou. Extrakce chitinu však zůstávala energeticky a chemicky nepřijatelně náročná.

Ulity a krunýře korýšů obsahují 15 až 40 % chitinu. Pro jeho získání je nutné derivací odstranit minerály a proteiny (především uhličitan vápenatý), které skořápku drží pohromadě. K rozložení uhličitanu se klasicky užívala kyselina chlorovodíková, vytvářející emise oxidu uhličitého. Proteiny se pak odstraňovaly horkým roztokem hydroxidu sodného. Na výrobu jednoho kilogramu chitinu bylo třeba 10 kilogramů škeblí, 9 kilogramů kyseliny chlorovodíkové, 8 kilogramů hydroxidu sodného, zdroje na zahřátí roztoku a 330 litrů slané vody + dalších 200 litrů vody na vymývání nečistot z chitinu. Jako polymer je chitin molekulární řetězec vyrobený z opakujících se jednotek. Používané chemické reakce řetězec poškozovaly, a tak snižovaly odolnost výsledných materiálů. Vědci nyní pracují na alternativních postupech, které radikálně snižují použití chemikálií, podporují udržení silných polymerů a recyklaci vody.

(foto: Cuantec.com)

Oddělení pomocí iontové kapaliny

Se zajímavou možností přišel v roce 2016 chemik Robin Rogers z univerzity v Alabamě. Ten se se svojí firmou Mari Signum zabývá zpracováním korýšů od roku 2010, kdy ropná skvrna zdevastovala velké množství garnátů na pobřeží Mexického zálivu. Rogers využívá iontovou kapalinu, která dokáže rozplést složitý řetězec vodíkových vazeb. Podle OSN patří iontová kapalina do kategorie nejméně škodlivých chemických roztoků – z poloviny totiž jde o obyčejný ocet. Iontovou kapalinu je možné používat stále dokola a proces nevyžaduje žádné dříve užívané chemikálie.

Mechanické uvolnění vazeb

S dalším řešením přichází tým chemiků z Univerzity v Montrealu a jejich firma ChitoDry zabývající se využitím chitosanu v textilním a obalovém průmyslu. Ti místo iontové kapaliny uvolňují vodíkové vazby mechanickým roztloukáním skořápek korýšů uvnitř keramického mlýna spolu s hydroxidem sodným. Mechanický pohyb funguje podobně jako zahřívání. Směs se následně na 6 dní umístí do parní komory. Během této doby hydroxid sodný rozpustí krustu a zbyde jen chitin. V porovnání s tradičním získáváním chitinu proces spotřebuje pouze třetinu až pětinu energie, osminu hydroxidu sodného a desetinu vody. Taktéž produkuje velmi dlouhé polymerní řetězce. Problémem je nízká produkce – během jedné várky lze zatím vyrobit pouze 10 gramů. Tým má v současnosti rozjednaný grant a na jaře by chtěl produkci zvýšit na 10 kilogramů.

Bakterie

Skotská firma CuanTec se soustředí na využití mikrobiální chemie bez jakýchkoli laboratorních chemikálií. Bakterie produkují přírodní kyseliny, které slouží jako náhražka za kyselinu chlorovodíkovou. K bakteriální přeměně je využito pouze 5 % dříve užívaného množství hydroxidu sodného a energetická náročnost je snížena na dvě třetiny. Proces uchovává dlouhé a velmi silné polymerní řetězce. V rámci využití chitinu přichází CuanTec s další skvělou vlastností chitinového biodegradabilního plastu: vyrábí antibakteriální balení potravin, které, oproti tradičnímu plastu, prodlužuje trvanlivost rybího masa o tři dny. Firma již uzavřela partnerství s řetězcem supermarketů Waitrose & Partners a první obaly na čerstvé rybí produkty by se na trhu měly objevit během následujícího půlroku.

Mikrobiotiku využívá také německý vědecký tým výzkumnice Susanne Zibek, který vede mezinárodní konsorcium pro výrobu chitinu ChitoTex. V jejich procesu mikroby místo rozkládání přímo konzumují ostatní látky skořápky a nechávají čistý chitin. Zibek vidí potenciál chitinu především v textilním průmyslu. Během běžného tkacího procesu se na vlákna tkaniny přidává dočasný plastový obal, který má za úkol látku ochránit do prvního praní, poté se postupně smyje. Povlak však často obsahuje polyvinylalkohol vyrobený z fosilních paliv. Tým Zibek přišel s alternativou, jak tento dočasný plastový obal nahradit obalem z chitinu. Množství, které dokážou vyrobit v jedné šarži, je však stále nedostačující, a tak nyní pracují na způsobu, jak jej znásobit.

Proměna krunýřů mořských živočichů na čistý chitosan má v rámci masové produkce ještě určité mezery. Metody, na kterých výzkumná střediska po celém světě pracují, mají však velký potenciál a vyřešením technických otázek můžou přinést ekologicky přijatelnou alternativu s mnoha zajímavými materiálovými vlastnostmi.