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Chitin - nachwachsender Rohstoff mit breitem Anwendungspotential

Kaum eine natürliche Substanz ist so vielseitig verwendbar wie die, aus der beispielsweise die Panzer von Käfern und die Schalen von Krebstieren bestehen. Aber das hochwertige Biopolymer Chitin wird bisher nur wenig genutzt.


Weltweit werden jährlich mehr als 100 Millionen Tonnen Rohstoffe, die größtenteils aus fossilen, nicht erneuerbaren Quellen stammen, zur Herstellung von Massenprodukten oder zur Energie-Erzeugung verbraucht. Diese Vergeudung natürlicher Ressourcen kann nicht unbegrenzt fortdauern. Daher gibt es seit längerem Bestrebungen, in zunehmendem Maße auf nachwachsende Rohstoffe überzugehen. Große Hoffnungen werden dabei in pflanzliche Polysaccharide – langkettige Moleküle aus verknüpften Zuckereinheiten – und Öle gesetzt.

Chitin, das in der Natur vor allem in den Panzern und Schalen von Insekten und Krebstieren sowie in Pilzen als Gerüststoff weit verbreitet ist und dessen globale Ressourcen auf etwa 1O6 bis 107 Tonnen geschätzt werden, ist das zweithäufigste Polysaccharid nach der Cellulose, der es als Polymer von N-Acetylglucosamin strukturell ähnelt (Bild auf Seite 21). Durch Abspalten der Acetyl-Gruppen mit Laugen (alkalische Hydrolyse) erhält man daraus das Chitosan, das in einigen Pilzen auch natürlich vorkommt; mit seinen freien Aminogruppen, an die sich leicht positiv geladene Wasserstoff-Ionen anlagern, kann dieses Polysaccharid als Polykation fungieren, dessen verteilte positive Ladungen eine Vielzahl nützlicher Wechselwirkungen mit anderen Substanzen vermitteln.

Schon seit langer Zeit werden mögliche Anwendungen beider Polymere diskutiert. Das wachsende Interesse kommt unter anderem in den Internationalen Chitin-Kongressen zum Ausdruck, die im Dreijahresturnus stattfinden. Im März 1992 wurde in Frankreich die "European Chitin Society" gegründet. Der aktuelle Stand der wissenschaftlichen Forschung sowie bekannte und neuere Anwendungen wurden kürzlich auf Initiative von Prof. Berndt Heydemann, des Ministers für Natur, Umwelt und Landesentwicklung von Schleswig-Holstein, in einer umfangreichen Studie zusammengefaßt.

Beispiele für Einsatzmöglichkeiten


Was macht Chitin und Chitosan so bemerkenswert? Ein wichtiger Grund sind ihre interessanten Werkstoffeigenschaften: Die beiden Polymere bilden kristalline Mikrofibrillen und lassen sich zu Fasern, Filmen, Membranen und Kolloiden verarbeiten. Außerdem vermag Chitosan, da es sich als sogenanntes chelatisierendes Agens wie ein Bandwurm mit vielen Saugnäpfen gleichzeitig an mehrere Ionen heften kann, insbesondere mit Schwermetallen unlösliche Komplexe zu bilden. Des weiteren eröffnen die freien Aminogruppen Reaktionsmöglichkeiten zu sehr unterschiedlichen Materialen, deren chemische und mechanische Eigenschaften in weiten Grenzen steuerbar sind. Auch von Chitin kann man durch Anhängen von Kohlenwasserstoff- oder Säureresten an die freien Hydroxyl-Gruppen zahlreiche Derivate herstellen.

Bei der Zahl der Patente und Patentanmeldungen nimmt Japan mit 781 Registrierungen in den Jahren 1967 bis 1991 die Spitzenposition ein. Mit 61 Patenten im gleichen Zeitraum steht Deutschland an dritter Stelle hinter den USA. Eine grobe Übersicht über die in Japan bereits auf dem Markt befindlichen Produkte illustriert das breite Anwendungspotential vor allem in den Bereichen Medizin, Pharmazie und Kosmetik, aber auch in der Lebensmitteltechnologie, Landwirtschaft, Biotechnologie, Technik und Chemie (siehe Tabelle).

Die Polymere sind biokompatibel und durch das im menschlichen Körper gebildete Enzym Lysozym abbaubar. Chitin ist völlig ungiftig, während die akute Toxizität von Chitosan mit einer LD50-Dosis von 16 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht (bei dieser Dosis stirbt die Hälfte der Versuchstiere) als sehr gering einzustufen ist. Chitosan wirkt gegen Bakterien und Pilze (fungistatisch) und dient als Grundlage für Wundverbände, chirurgische Nahtmaterialien und künstliche Haut. Als Polykation ist es zudem ein Kandidat für eine neue Generation von Lipidsenkern zur Behandlung der Hypercholesterinämie (des krankhaft erhöhten Blutfettspiegels). Chitosan-Derivate mit Sulfat-Gruppen verzögern die Blutgerinnung. Kurzkettige Oligosaccharide aus Chitin und Chitosan schließlich wirken als Immunstimulanzien mit tumorhemmenden Eigenschaften.

Die biologische Abbaubarkeit der beiden Polymere eröffnet weitere Anwendungsmöglichkeiten in Medizin, Pharmazie und Kosmetik. So wird erforscht, inwieweit sie sich zur kontrollierten Freisetzung anderer Arzneimittel eignen. In der Ophthalmologie bietet sich Chitosan als Material für nicht permanent verbleibende Kontaktlinsen an, zum Beispiel nach Star-Operationen. Auch in der Zahnmedizin werden Chitosan-Membranen für Wundverschlüsse nach chirurgischen Eingriffen oder bei der Behandlung von paradontose-bedingten Zahnbettschädigungen diskutiert. Chitosan-Derivate haben in der Haarkosmetik bereits einen festen Platz als Haarfestiger gefunden.

In der Lebensmitteltechnologie wird Chitosan zur Schönung von Fruchtsäften und zur Aufbereitung von Trinkwasser verwendet, da es als Polykation Trübungen verursachende Eiweißstoffe verklumpt und ausflocken läßt sowie als Chelat-Bildner Schwermetalle ausfallt. Wegen seiner antibakteriellen Eigenschaften bietet es sich auch als Konservierungsstoff und – in Form von Folien und Filmen – als biologisch abbaubares Verpackungsmaterial an.

In der Landwirtschaft kann man bei der Verfütterung von Molke-Eiweiß mit den beiden Polysacchariden als Zusatzstoffen eine ausgewogenere Ernährung der Tiere sicherstellen. In einigen Ländern läuft bereits ein Zulassungsverfahren für Chitosan als Konservierungsmittel für Saatgut und Früchte. In den Boden eingebracht, verringert es bei Pflanzen die Infektionsrate durch schädliche Viren und den Befall durch Nematoden (Fadenwürmer). Auch hier gibt es Überlegungen, die Substanz zur kontrollierten Freisetzung von anderen Stoffen – in diesem Falle Pestiziden – im Boden zu nutzen.

In der Biotechnologie wird Chitosan zur Immobilisierung von Enzymen und Zellen verwendet. Die aus ihm oder Chitin herstellbaren Gele dienen zudem als Trägermaterialien für die chromatographische Reinigung von biotechnisch erzeugten Proteinen.

Technische Anwendungen beruhen auf den günstigen Werkstoffeigenschaften der beiden Polymere, die sich zu Membranen, Fasern und Filmen verarbeiten lassen. Dabei kann man sie auch mit – teils chemisch modifizierter – Cellulose zu Verbundmaterialien kombinieren. In der Werkstoff-Forschung dienen chitinhaltige biologische Strukturen wie Muschelschalen, sklerotisierte Insektenpanzer und elastische Membranen als Vorbilder für sogenannte Biomimetics; allerdings ist dieses Gebiet sehr komplex, und seine Erforschung steckt erst in den Anfängen.

In der Umwelttechnik wird Chitosan vor allem in Japan bereits in größerem Umfang zur Behandlung proteinhaltiger Abwässer von Betrieben, die Früchte, Fleisch, Fisch oder Milch verarbeiten, sowie von Brauereien eingesetzt. Wie bei Fruchtsäften läßt es hier die Eiweißstoffe ausflocken. Außerdem schlägt es Schwermetall-lonen aus den Abwässern verschiedenster Industriezweige nieder und enthärtet Wasser.

In der Chemie bildet Chitin ein wertvolles Ausgangsmaterial für die Synthese von Wirkstoffen auf der Basis von Glucosamin; ein großer Vorteil dabei ist, daß im Falle stereo-isomerer Verbindungen von den beiden möglichen spiegelbildlichen Formen nur eine entsteht. Ein amerikanisches Patent beschreibt den Einsatz von Chitosan als Träger für Katalysatoren von Hydrierungsreaktionen, mit denen man beispielsweise bei der Herstellung von Margarine Fette härtet. Außerdem eignen sich Chitin und Chitosan selbstverständlich auch in der Chemie als stationäre Phasen für chromatographische Stofftrennungen.

Kaum genutztes Potential


Chitin und Chitosan werden vor allem in Japan und in den USA aus Abfällen der Krabbenfischerei gewonnen. Die Jahresproduktion beträgt weltweit mehr als 2000 Tonnen. Beim Verbrauch liegt mit 1270 Tonnen jährlich wiederum Japan an der Spitze; rund 500 Tonnen dienen zur Abwasserbehandlung und etwa 100 Tonnen zur Herstellung von Haarpflegemitteln und anderen Kosmetika.

In Deutschland gibt es derzeit keine nennenswerte Produktion von Chitin oder Chitosan, obwohl auch hier aus Abfällen der Krabbenfischerei jährlich durchaus 200 bis 400 Tonnen zu gewinnen wären. Die Krabbenschalen werden jedoch zum größten Teil zu Tierfutter verarbeitet. Hiesige Anbieter und Verbraucher von Chitin oder Chitosan beziehen die Rohstoffe im wesentlichen aus Japan oder den USA.

Verglichen mit der Produktion von Cellulose (weltweit rund 200 Millionen Tonnen) erscheint die von Chitin verschwindend gering. Deshalb wird ihm oft jegliche Bedeutung als nachwachsender Rohstoff abgesprochen. Diese Situation könnte sich freilich in absehbarer Zukunft ändern, zumal Chitosan mit Hilfe bestimmter Pilze inzwischen auch biotechnologisch in großen Mengen erhältlich ist.

Chitin und Chitosan werden die Cellulose und synthetische Polymere sicherlich nicht ersetzen können. In Einzelfällen wie der Schönung von Fruchtsäften und der Abwasserbehandlung dürfte Chitosan jedoch gegenüber herkömmlichen Flockungsmitteln wirtschaftlich konkurrenzfähig sein. Auch bei der Synthese von Spezialpolymeren, deren Materialeigenschaften mit konventionellen Methoden nur unter vergleichsweise hohem Aufwand zu erzielen sind, bietet es sich als Alternative an. So muß zur Erzeugung eines Polykations aus Cellulose erst ein chemisches Derivat hergestellt werden.

Des weiteren verdienen Produkte mit hoher Wertschöpfung auf der Basis von Chitin und Chitosan vor allem für medizinische Anwendungen Beachtung. In diesen Bereichen zeichnen sich große Marktchancen inbesondere für mittelständische Unternehmen ab.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1993, Seite 21
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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