I Brasilien, forskare vid São Paulo State University (UNESP) i Ilha Solteira har utvecklat en film som kan ersätta plast i livsmedelsförpackningar. Filmen är gjord av hydroxipropylmetylcellulosa (HPMC) och bakteriecellulosa rester från industriell bearbetning. Båda råvarorna är hållbara. De kombineras för att producera en biologiskt nedbrytbar film av bakteriella cellulosananokrystaller och HPMC.

Produkten överträffar filmen gjord av HPMC ensam. En artikel om forskningsprojektet, som stöddes av FAPESP, publiceras i tidskriften ACS -tillämpat material och gränssnitt.

"Vi bestämde oss för att fylla HMPC -matrisen med bakteriella cellulosananokrystaller för att förbättra dess egenskaper. Vi ville också skapa grönare protokoll för utveckling av nya kompositer, från själva materialet till dess ursprung, så vi inkluderade återanvändning av industriavfall i projektet, "sa Márcia Regina de Moura Aouada, medförfattare till artikeln. Aouada har en doktorsexamen i kemi från UNESP, där hon undervisar och är forskare vid Center for Development of Functional Materials (CDMF), en av forskningen, Innovations- och spridningscentra (RIDC) som stöds av FAPESP.

Sedan hennes doktorsexamen, Aouada har studerat filmer gjorda av förnybara energikällor, och ätbara och biologiskt nedbrytbara filmer, i syfte att minska den växande generationen av fast avfall i form av dumpade plastförpackningar.

"En av begränsningarna för filmer gjorda av HPMC och andra biopolymerer är deras låga mekaniska hållfasthet jämfört med traditionella filmer som härrör från petroleum. De är också mycket genomträngliga för vattenånga, vilket begränsar tillgängliga applikationer. Vi förbättrade dessa egenskaper genom att tillsätta bakteriell cellulosa, "sa Pamela Melo, en doktorand i materialvetenskap vid UNESP och första författare till artikeln om projektet, som genomfördes under hennes doktorsexamen forskning under Aouadas tillsyn.

Kakrecept

Forskarna erhöll bakterier av cellulosa från Seven Indústria de Produtos Biotecnológicos, som gör sårförband biofilmer i delstaten Paraná. För att omvandla detta avfall till film som är lämplig för livsmedelsförpackningar, de malde först resterna till pulver. "Vi överlämnade sedan pulvret till svavelsyrahydrolys, en process som beskrivs väl i litteraturen, "Melo sa. Resultatet var en bakteriell cellulosa nanokristall suspension, som de blandade med HPMC utspätt i vatten för att producera en filmbildande dispersion, ett mål av intresse för bioplastindustrin.

"Det räcker inte med att skapa bra kompositer. Vi måste hitta den bästa lösningen för att få bra filmegenskaper genom olika faktorer som viskositet och nanopartikelkoncentration. En rättvis analogi kan vara ett kakrecept:att studera receptet är en annan viktig innovation i vår studie , "Sa Aouada.

"Hur nanokristaller interagerar med HPMC -matrisen och distribueras inom den kommer att avgöra filmkvaliteten, så vi genomförde tester och kom fram till den optimala distributionen via högenergidispersion med hjälp av en Turrax-disperser, "Sade Melo. Den filmbildande dispersionen avsattes på ett substrat. Lösningsmedlen avdunstade efter 24-48 timmar. Resultatet blev en starkare, mindre genomsläpplig produkt än HPMC-film. Mängden vatten som absorberas av materialet är för närvarande en begränsning för dess användning i förpackningar.

En annan positiv upptäckt är att nanokristallerna inte förändrar transparensen hos HPMC.

Fördelar med bakteriell cellulosa

Cellulosa är den vanligaste polymeren i naturen och huvudkomponenten i vegetabiliska fibrer, ger styvhet för växter. Växtcellulosa är välkänd och används vid tillverkning av papper, men några bakterier alger och marina ryggradslösa djur utsöndrar också cellulosa, som har använts en tid i sårförband biofilmer och nu expanderar till andra områden, som livsmedelsförpackningar.

Skyddet av den naturliga miljön gynnar mest. "Bakteriell cellulosa kan produceras i laboratoriet året runt, oavsett väder och miljöförhållanden. Det är en renare molekyl och produktionsprocessen genererar mindre föroreningar, "Aouada sa. Bearbetning av växtcellulosa kräver eliminering av orenheter som lignin med hjälp av organiska klorföreningar, som är skadliga för miljön.

En annan fördel med bakteriell cellulosa är närvaron av nanometriska fibrer i dess struktur. "Detta är mycket intressant eftersom det ger materialet distinkta egenskaper som hög draghållfasthet, vilket betyder att den tål vissa belastningar eller påfrestningar utan att bryta, "Sa Aouada.

Nästa steg

Forskarna planerar att fortsätta testa filmbildande dispersioner tills de drar slutsatsen att de har utvecklat en konkurrenskraftig produkt. De studerar andra polymerdispersionstekniker, att jämföra dem med användningen av HPMC, och bedömer deras biologiska nedbrytbarhet.

Om de lyckas utveckla bättre filmbildande dispersioner, det kan vara möjligt att använda bakteriell cellulosa i större skala. "Vårt huvudfokus ligger på att hitta substitut för material som inte anses vara ekologiskt korrekta, såsom petroleumprodukter. Sådana substitut inkluderar biologiskt nedbrytbara kompositer härledda från förnybara resurser, "Sa Aouada.

Användningen av cellulosarester och annat avfall hjälper också till att minska bearbetningskostnaderna. Konsumenter föredrar vanligtvis plastfilm för förpackning eftersom det är billigt. Dessutom, det finns andra lovande källor till bakteriell cellulosa, såsom sockerrörs- och sojaindustrin. "Studier har visat att bakteriell cellulosa kan erhållas med sockerrör eller sojamelass som ett substrat, "Sa Aouada.