Tyskland genererar cirka 38 kilo plastavfall per capita varje år. I ett gemensamt projekt med University of Stuttgart och LCS Life Cycle Simulation, forskare från Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB och Fraunhofer Institute for Process Engineering and Packaging IVV arbetar nu för att etablera ett holistiskt koncept för hållbar användning av biologiskt nedbrytbara förpackningsmaterial inom kosmetikaindustrin. Projektet fokuserar på polyhydroxialkanoater (PHA), som har liknande egenskaper som konventionell plast men som tillverkas av mikroorganismer och utan användning av fossilbaserade råvaror.

Hittills, bakterierna i Dr Susanne Zibeks labb vid Fraunhofer IGB i Stuttgart har matats på en mängd olika avfallsmaterial, allt från träavfall och olja och sockerrester till glycerol från biodieselproduktion. Var och en av dessa kolbaserade foderkällor får bakterierna att producera specifika intracellulära lagringskorn. Dessa så kallade polyhydroxialkanoater (PHA) är i fokus för SusPackaging, ett forskningsprojekt som genomförs i samarbete med Fraunhofer IVV i Freising, University of Stuttgart och LCS Life Cycle Simulation, som ligger i staden Backnang. Forskare från Fraunhofer IGB försöker skapa biologiskt baserade, biologiskt nedbrytbara polymerer som ersättning för plastförpackningar inom kosmetikaindustrin. Det som skiljer projektet åt är dess försök att etablera en helt grön värdekedja. Som Dr. Ana Lucía Vásquez-Caicedo från Fraunhofer IGB förklarar, ett holistiskt koncept med fokus på hållbarhet är nytt:"Många studier koncentrerar sig på individuella aspekter, men det är sällan man ser en övervägande av hela processkedjan hela vägen upp till en utvärdering av materialens kvalitet."

Processen börjar med odling av bakterierna. Dr Susanne Zibek, gruppchef för Food Processing Technology Group, och hennes kollega Dr Thomas Hahn undersöker hur specifika mikroorganismer kan användas för att producera olika PHA med olika strukturer, och hur valet av foder påverkar deras egenskaper. "I grund och botten, vi försöker skapa nya strukturella varianter, så att vi sedan kan se om den producerade polymeren är lämplig som förpackningsmaterial, "Förklarar Zibek. Arbetsgruppen har stöd av forskare vid universitetet i Stuttgart, som tittar närmare på olika egenskaper hos mikroorganismerna, inklusive i vilken utsträckning de kan anpassa sig till giftiga ämnen som kan finnas i de naturliga foderkällorna.

Ersätta skadliga lösningsmedel med tryckförändringsteknik

Innan PHA:erna kan bearbetas och testas, de måste först utvinnas från mikroorganismerna. Detta är specialistområdet för Vásquez-Caicedo, gruppchef för Food Processing Technology Group på Fraunhofer IGB. I regel, denna så kallade reningsprocess använder lösningsmedel som kloroform. Dock, som hon förklarar, syftet är att komma bort från miljöskadliga lösningsmedel. Istället, hon har utvecklat en rent mekanisk/fysisk metod för cellstörning. Känd som tryckförändringsteknik (PCT), detta innebär tillsats av en processgas till jäsningsbuljongen som innehåller mikroorganismerna. Buljongen sätts sedan under tryck, med resultatet att gasen tränger in i cellens cytoplasma. En snabb sänkning av trycket i buljongen förstör cellerna och frigör PHA.

Efter rening, PHA skickas i form av ett vitt pulver till Fraunhofer IVV i Freising. Här, den förvandlas först till granulat och sedan till en polymerfilm. Inledande tester på små ark av denna polymer har undersökt materialegenskaper som termisk stabilitet, plasticitet och olika barriäregenskaper – väsentligt om framtida förpackningar ska förse kosmetiska ingredienser med, till exempel, effektivt skydd mot uttorkning.

Dr. Cornelia Stramm från Fraunhofer IVV är nöjd med resultaten hittills:"När det gäller deras mekaniska egenskaper, vissa PHA-typer visar sig fortfarande vara något svåra att bearbeta. Vi måste göra några justeringar där. Men när det gäller deras barriäregenskaper, PHA visar stor potential jämfört med andra biopolymerer." I slutet av varje testcykel, hon skickar tillbaka resultaten till Stuttgart tillsammans med rekommendationer för ytterligare åtgärder, och sedan börjar processen igen.

Baserat på denna feedback från Fraunhofer IVV, Zibeks arbetsgrupp på Fraunhofer IGB har ändrat sin matningsstrategi. Bakterierna får nu ytterligare ett samsubstrat, vilket ökar PHA:s valerathalt, vilket gör slutprodukten mer böjlig.

Ytterligare förbättring med varje återkopplingsslinga

Även om volymerna fortfarande är mycket låga och produktionen tar mycket tid, the process is steadily improving with each feedback loop.

Once the various steps have been finalized, a life cycle analysis conducted by external project partner LCS Life Cycle Simulation will evaluate the energy efficiency and sustainability of the entire process in order to compare it with existing processes. All three researchers from Fraunhofer see big potential for PHAs. I framtiden, particularly for small items of disposable packaging, they could offer a genuine alternative to conventional petroleum-based plastics.