Neue Methoden sind vielversprechend für die Steigerung der Kautschukproduktion in den USA

Da Krankheiten und die hohe Nachfrage die weltweite Hauptversorgung mit Naturkautschuk in Südostasien gefährden, arbeiten Wissenschaftler daran, den US-amerikanischen Kautschukmarkt anzukurbeln, indem sie Methoden zur Gewinnung von Latex aus zwei nachhaltigen nordamerikanischen Pflanzenquellen weiterentwickeln: einer Löwenzahnart und einem Wüstenstrauch.

Forscher berichteten in zwei kürzlich erschienenen Veröffentlichungen über ihre Methoden zur Verbesserung der Effizienz und zur Steigerung der Latexausbeute, aufbauend auf jahrzehntelanger Forschung unter der Leitung von Katrina Cornish, Professorin für Gartenbau und Nutzpflanzenwissenschaften sowie Lebensmittel-, Agrar- und Biotechnik an der Ohio State University.

Cornish und Kollegen haben bei der Verarbeitung des Löwenzahns Taraxacum kok-saghyz (TK) und des Guayule-Strauchs spezielle Wirkstoffe hinzugefügt, um beiden Pflanzen eine höhere Menge Latex zu entlocken. Keine der beiden Quellen kann einfach angezapft werden – die Methode wird bei tropischen Bäumen angewendet, die den einzigen kommerziell erhältlichen Naturkautschuk der Welt produzieren.

„Wir brauchen effiziente Extraktionsmethoden für alle alternativen Arten, die Naturkautschuk produzieren, insbesondere im großen Maßstab“, sagte Cornish. „Und sie müssen kostengünstig sein, um langfristig auf dem Reifenmarkt bestehen zu können.“

Die TK-Löwenzahnarbeit war veröffentlicht vor kurzem in Industriepflanzen und Produkteund das Guayule-Forschung In Umwelttechnologie und Innovation.

Über Reifen hinaus findet Gummi in schätzungsweise 50.000 Produkten Anwendung. Der Bedarf für eine heimische Naturkautschukindustrie ist dringend: Während die Vereinigten Staaten synthetischen Kautschuk produzieren, sind sie vollständig auf Importe von Naturkautschuk angewiesen. Im Jahr 2019 gingen 10 % des Naturkautschukangebots durch Krankheiten verloren – und das Risiko einer Übertragung der südamerikanischen Blattfäule nach Südostasien ist mit der Ausweitung des Direktflugverkehrs zwischen Brasilien und China gestiegen.

Es sei keine Übertreibung, sagte Cornish, dass die Krankheit, wenn die Krautfäule von Südamerika nach Asien gelangen würde, in kurzer Zeit den größten Teil des weltweiten Naturkautschukangebots vernichten könnte.

„Und dann könnten wir den Zusammenbruch der weltweiten Lieferketten und in der Folge ganzer Volkswirtschaften erleben“, sagte sie. „Wir haben eine ganze globale Industrie auf eine tropische Pflanze konzentriert. Aber TK-Löwenzahn und Guayule sind nachhaltig und können unter gemäßigten Bedingungen wachsen.“

Guayule-Latex stammt aus verallgemeinerten Zellen in der Rinde des Strauchs. Bei der Extraktion des Latex wird die Rinde zermahlen, um ihre Zellen aufzubrechen und Latexpartikel in etwas freizusetzen, das Cornish als „Milchshake“ bezeichnet. Es folgen eine Reihe von Wasch- und Schleuderzyklen, um den Latex von anderen Feststoffen zu trennen – und bei jedem Zentrifugationsschritt geht etwas Latex verloren.

Das Forschungsteam stellte fest, dass die Zugabe chemischer Substanzen, sogenannter Flockungsmittel, zum Milchshake dazu beitrug, andere feste Materialien zusammenzubinden und vom Latex zu trennen, wodurch die Waschzyklen effektiv halbiert und die Gesamtausbeute an Latex verbessert wurden. Durch die Zugabe einer Substanz wurde die verfügbare Latexmenge verdoppelt, und die Ausbeute wurde um das Zwölffache erhöht, wenn zur Reinigung ein Aufrahmmittel zugesetzt wurde.

„Durch die Zugabe von Flockungsmitteln ist die Latexextraktion effizienter und sauberer“, sagte der Erstautor der Studie, Beenish Saba, ein Postdoktorand in den Bereichen Lebensmittel-, Agrar- und Biotechnik an der Ohio State. „Wir haben spezielle Flockungsmittel gefunden, die die Qualität der Latexextraktion am besten verbessern und die dafür benötigte Zeit verkürzen.“

Die Studie zeigte auch, dass die Rückführung der verbleibenden Feststoffe durch das Verarbeitungssystem die Extraktion von noch mehr Latex ermöglichte und auch den ökologischen Fußabdruck des gesamten Betriebs verringerte, sagte Saba.

Guayule enthält einen besonders attraktiven Hochleistungslatex, der fester und weicher ist als jedes andere bekannte Polymer, so Cornish, was bedeutet, dass bei der Produktion mehr Füllstoff hinzugefügt werden kann, ohne dass seine wertvollen Eigenschaften verloren gehen. Sie verwendete Guayule-Latex, um den ersten hypoallergenen medizinischen Handschuh zu entwickeln, der sowohl Strahlung als auch Krankheitserreger abhält.

Obwohl TK-Löwenzahnlatex in den Wurzeln der Pflanze produziert wird, ist der Extraktionsprozess ähnlich: Die Wurzeln werden beschnitten, zu einer Aufschlämmung vermischt und gefiltert, um feste Stücke Pflanzenmaterial und Schmutz zu entfernen. Auf der restlichen Flüssigkeit schwimmender Latex wird mit einer Pipette aufgeschlürft und zur Reinigung bis zu dreimal gespült und anschließend getrocknet.

Ein bisschen Zufall führte zur Verbesserung dieser Extraktionsmethode. Erstautor Nathaniel King-Smith, ein Doktorand in Cornishs Labor, stellte fest, dass verarbeitete Proben, die drei Monate lang im Labor lagen, deutlich mehr Latex auf ihren Oberflächen schwammen. Eine Analyse ergab, dass schwere zweiwertige Kationen wie Magnesium, die an die Membranen der Latexpartikel gebunden waren, die Partikel beschwerten – bis die Verbindung schließlich zusammenbrach.

Das Team stellte fest, dass durch die Zugabe von EDTA, einem Chelator, der zweiwertige Kationen bindet, bei der Verarbeitung der Löwenzahnwurzeln mehr als doppelt so viel Latex extrahiert werden konnte wie ohne die Zugabe von EDTA.

„Unsere Frage war: Wie können wir die schwere Fraktion freisetzen, ohne drei Monate warten zu müssen, bis die Gummipartikel plötzlich leichter werden und schwimmen?“ sagte King-Smith. „Wir haben herausgefunden, dass die zusätzliche Latexausbeute nach monatelanger Lagerung bei einer Standardextraktion sofort durch die Zugabe von EDTA vor dem Schleudern erreicht werden kann.“

Die Verwendung von EDTA erhöhte auch den Gelgehalt des extrahierten Latex nach dem Trocknen – nützliche Informationen für die potenzielle Produktion von Industrien, die nach Kautschuk mit höherem Gelgehalt suchen, sagte er.

EDTA könnte sich bei der Latexextraktion aus Guayule als anwendbar erweisen, obwohl Cornish sagte, ihr Labor hoffe, mit Flockungschemikern zusammenzuarbeiten, die dabei helfen könnten, diesen Prozess weiter zu verfeinern. Sie pflanzt, erntet und extrahiert Latex aus TK-Löwenzahn seit über einem Jahrzehnt in Ohio und verfügt über ein Gewächshaus voller Guayule auf dem Wooster-Campus der Ohio State, wo sie hofft, eines Tages eine vollwertige Latexverarbeitungsanlage bauen zu können.

„Wir arbeiten in kleinem Maßstab und konzentrieren uns auf Premium-Latexmärkte, wo man mit minimalem Materialaufwand etwas von großem Wert herstellen kann, sodass wir die Expansion finanzieren können“, sagte sie. „Und in der Zwischenzeit machen wir die Extraktion effizienter, damit wir das Material sauber und rein machen können.“

Zu den Co-Autoren des Guayule-Artikels gehörten Cindy Barrera und David Barker vom Ohio State. Zu den Co-Autoren des TK-Löwenzahnpapiers gehörten Kristof Molnar, Joshua Blakeslee, Aswathy Pillai und Judit Puskas vom Bundesstaat Ohio, Colleen McMahan vom USDA-Agricultural Research Service und Meirambek Mutalkhanov von der Al-Farabi Kazakh National University.