Development and production of new insect chitosan and chitosan-based functional coatings for yarns and textile fabrics

Kitin er den nest viktigste naturlig polymer i verden etter cellulose og finnes i marine krepsdyr, som reker og krabber, insekter og sopp. Det er økende kommersiell interesse for kitin og kitin-baserte produkter på grunn av dens bio-nedbrytbarhet, bio-kompatibilitet, antimikrobiell aktivitet, og ikke-toksisitet. Store sluttbrukerapplikasjoner finnes i avløpsrensing, dyrefôr, landbruk, kosmetikk og medisin. Den totale årlige produksjon av renset kitin hentet fra biprodukter av sjømatnæringen er ca 1600 tonn, med Japan og USA som de største produsentene. Det europeiske markedet er stadig økende. Men kitin og kitosan må importeres til Europa for industriell anvendelse. Samtidig vokser det fram en industri hvor man dyrker insekter på biprodukter fra landbruket og på "avfalls" strømmer som husholdningsavfall, på grunn av at innsekter kan være en bærekraftig proteinkilde. Insekter kan dyrkes overalt hvor avfallet blir produsert. Denne aktiviteten genererer mye kitin-rik avfall, som gir en ny kitin kilde som kan bli tilgjengelig overalt, hele året. Målet med ChitoTex er å valorisere disse kitin-rike biprodukter. Til dette skal NMBU, den norske partneren, utvikle innovativ enzymteknologi. Siden råstoffet er et "naturlig" produkt, i motsetning til f.eks rekeskall, som har blitt kokt, antok vi ved starten av prosjektet at rent enzymatiske (= grønne) prosesser kan bli utviklet for å omdanne biproduktene fra insektproduksjon til kitin, kitosan, kito-oligosakkarider og kanskje også til andre verdifulle produkterer, slik som proteinhydrolysater. ChitoTex primært sikte på å produsere kitosaner som skal brukes til å «coate» og funksjonalisere tekstiler, og dette skjer gjennom flere (tyske) industrielle partnere. Den enzymteknologien som skal utvikles på NMBU har en generisk karakter, og kan eventuelt anvendes for å utvikle andre bioraffineringsprosesser. Følgende hovedaktiviteter blitt gjennomført: 1. Vi har utviklet en nokså unik «verktøy-kasse» med enzymer i tett samarbeid med flere Chitotex partnere, og disse blir nå brukt for å oppnå Chitotex prosjektets anvendte mål, samt i studier på bioraffinering av kitin-rik biomasse. Denne verktøy-kasse inneholder unike spesialtilpassede enzymer som vi har utviklet i prosjektet gjennom «enzyme engineering». Verktøy-kasse inneholder helt nye enzymer som vi har isolert fra bakterier som vokser på maurtuer. 2. Vi har studert nedbryting av forskjellige innsektfraksjoner fra prosjektets innsektprodusent (Protix, Nederland), som hadde blitt forbehandlet av partner Fraunhofer. Vi gjør framskritt, men, noe uforventet, har vi måttet slå fast at enzymatisk nedbryting og modifisering av innsektkitin er mye vanskeligere enn vi antok ved prosjektstart. 3. Vi har karakterisert kitosanet som i dag brukes eller vurderes av ChitoTex industripartnere og vi har laget spesialkitosaner som testes i industrien; dette arbeidet vil pågå etter projektets slutt. 4. Selv om nedbryting av kitin er vanskelig gjør vi framskritt i å utvikle metoder for direkte enzymatisk omdanning av kitin til høyverdige kitinfragmenter som har flere mulige anvendelsesområder. Dette europeiske prosjektkonsortiet har fungert svært godt og viktige grunnleggende framskritt er gjort, for eksempel har vi fått på plass viktige, men svært utfordrende, felles analytiske verktøy. Det vil bli spin-off prosjekter med bioraffinering av kitinrik biomasse som tema. For mer informasjon om ChitoTex prosjektet, se http://www.era-ib.net/chitotex.

Vennligst se resultatrapport. Prosjektet har hold NMBU i forskningsfronten når det gjelder enzymatisk bioraffinering av kitin-rik biomasse og har gitt en rekke nye viktige kontakter med relevante europeiske forskningsgrupper og industrier. Samarbeidet i prosjektet, inklusive interaksjonene med industrien, har vært eksemplarisk og svært nyttig. Det finnes per i dag flere initiativ rundt videre utvikling av prosjektets resultater og nye næringsrettede prosjekter. Dessverre har det så langt vist seg til å være ekstremt vanskelig å få tak i ressurser for å kunne videreutvikle de teknologiske framskritt som vi har gjort i prosjektet.

Chitin is besides cellulose the second most important natural polymer in the world, found in marine crustaceans, like shrimps and crabs, insects and fungi. With the growth of the ecological awareness, the commercial interest for chitin and chitin-based products is increasing due to its biodegradability, biocompatibility, antimicrobial activity, and non-toxicity. Major end-user applications are found in wastewater treatment, animal feed, agriculture, cosmetics, and medicine. The total annual world production of purified chitin obtained from byproducts of the seafood industry is about 1600 tones, with Japan and USA being the main producers. The European market is increasing steadily. However, chitin and chitosan have to be imported to Europe for industrial application. A new European chitin source is insect chitin, a side-product within animal feed production. Insect larvae are used as protein source for animal feed whereas adult insects are used for reproduction. This leads to cocoons and insect bodies which can be used as chitin-rich resource. The aim of ChitoTex is the valorization of these insect chitin side-products and the application of insect chitin in functional coatings for textile surfaces, especially for technical purposes in mobile process development, home areas, packaging materials, building construction, civil engineering, geotextiles as well as clothing for working and protection. Through the interdisciplinary network and cooperation of microbiologists, chemists, and engineers, an enzymatic-chemical approach will be developed for the allocation of chitin-based raw-materials with different properties (e.g. water solubility), which can be further processed by the industrial textile partners to the first functional coatings for textiles out of insect chitin.