Einmal weggeworfen, kann es Hunderte von Jahren dauern, bis sich Einwegartikel wie Windeln und Damenbinden zersetzen, da ihre absorbierenden Teile und wasserdichten Schichten Kunststoffe und andere synthetische Polymere enthalten. Doch nun ersetzen Forscher diese Materialien durch poröse Komponenten aus Proteinbiomasse, die in der Lebensmittel- und Agrarindustrie oft weggeworfen wird. Diese Komponenten sind nachhaltig und biologisch abbaubar und könnten es möglicherweise ermöglichen, künftige Windeln und Damenbinden in die Toilette zu spülen oder als Dünger zu verwenden.
Ihre Ergebnisse stellen die Forscher heute auf der vor Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS).
Antonio Capezza, der die Forschung auf dem Treffen vorstellen wird, sagt, dass in Europa Vorschriften die Verwendung bestimmter erdölbasierter Kunststoffe in Einwegartikeln verhindern. Allerdings gebe es keine klaren Richtlinien oder Vorschriften zum Verbot dieser Kunststoffe in Windeln, Damenbinden und anderen Einweg-Hygieneartikeln, da kein guter Ersatz verfügbar sei.
„Aber wir hoffen, das mit unseren proteinbasierten Materialien zu ändern“, sagt er.
Natürlich vermeiden waschbare Windeln das Plastikproblem insgesamt, aber er sagt, dass nur wenige Betreuer sie verwenden wollen. Sein Ziel ist es, Menschen, die weiterhin Einweg-Hygieneprodukte verwenden möchten, eine andere Art nachhaltiger, umweltfreundlicher Lösung anzubieten.
„Die Akzeptanzrate wird viel höher sein, als wenn Sie zu einem Kunden kommen und sagen: ‚Okay, jetzt müssen Sie Ihre Windeln waschen‘“, erklärt Capezza, Forscher in der Abteilung für Polymermaterialien am KTH Royal Institute of Technology in Schweden.
Ironischerweise hatte das Projekt seinen Ursprung in einer Demonstration, die den Schülern beibringen sollte, was im Labor schief gehen kann. Capezza zeigte ihnen, wie man aus Proteinen Biokunststofffilamente herstellt. Um den Einfluss unerwünschter Feuchtigkeit nachzuahmen, fügte er nasse Baumwolle hinzu, wodurch die Mischung schäumte. Nachdem das Produkt getrocknet war, stellte er fest, dass das Material superporös geworden war, was bedeutete, dass es Flüssigkeit wie ein Schwamm aufsaugen konnte.
„Es war also eine Art Unfall, aber ein guter, denn das führte uns zu einer völlig neuen Forschungsrichtung“, sagt er. Capezza arbeitet mit Forschern der KTH, der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften und anderen Institutionen zusammen, darunter der Simón Bolívar-Universität in Venezuela, der Universität Tokio in Japan und der Universität Sevilla in Spanien.
Einige baumwollbasierte Alternativen zu Hygieneprodukten aus Kunststoff sind bereits auf dem Markt, sie basieren jedoch auf reiner Baumwolle und müssen für ihre Herstellung möglicherweise gebleicht oder auf andere Weise chemisch behandelt werden. Auf der Suche nach einer nachhaltigeren Materialquelle identifizierte das Team von Capezza Proteine und andere natürliche Moleküle, die bei der Lebensmittel- und Agrarproduktion übrig geblieben sind und andernfalls auf der Mülldeponie landen oder verbrannt werden könnten; zum Beispiel Zein aus Mais, Gluten aus Weizen und natürliche Antioxidansextrakte.
Bildnachweis: American Chemical Society
Die Forscher mischten die Proteine in unterschiedlichen Anteilen zusammen und fügten Wasser und Bikarbonate wie Backpulver als Schaumbildner hinzu; der Süßstoff Glycerin als Weichmacher; und natürliche Extrakte als Konservierungsmittel.
Anschließend nutzte das Team Geräte und Verarbeitungstechniken aus der Kunststoffindustrie, einschließlich Extrusion, um verschiedene Komponenten herzustellen, die häufig in Binden und Windeln vorkommen. Ähnlich wie bei einer Nudelmaschine ermöglichte der Extruder dem Team die Herstellung von Filamenten und flachen Folien und gleichzeitig die Möglichkeit, die Materialien aufzuschäumen. Mit diesen Techniken stellten die Forscher eine flache „Vliesschicht“ her, die sich trocken anfühlte und gleichzeitig einen schnellen Durchtritt der Flüssigkeit ermöglichte; ein flauschiges, poröses Material mit superabsorbierenden Eigenschaften, das Flüssigkeit auffängt; und wasserdichte Folien zum Schutz der Oberbekleidung.
Als Machbarkeitsnachweis setzten die Forscher diese Komponenten zusammen, um absorbierende Prototypen auf Proteinbasis herzustellen, die Einweg-Hygieneprodukten ähnelten. Sobald die Materialien Wasser oder Erde ausgesetzt wurden, wurden sie innerhalb weniger Wochen vollständig biologisch abgebaut. Aufgrund der Proteinherkunft der Materialien wurden bei diesem Abbau Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Aminosäuren und andere Verbindungen freigesetzt, die die Natur als Nährstoffe wiederverwenden kann.
Mit der weiteren Entwicklung, sagt Capezza, könnte dies zu Einweg-Sanitärprodukten führen, die gespült werden können. Alternativ könnten diese Produkte (oder alle bei der Herstellung anfallenden Abfälle) nach der Verwendung kompostiert werden, um Nutzpflanzen wie Mais und Weizen zu düngen, was wiederum die Ausgangsmaterialien für die Herstellung neuer Hygieneprodukte liefern würde.
„Es handelt sich also um ein vollständig kreisförmiges Design“, fügt Capezza hinzu. Die Forscher konnten bereits zeigen, dass Pflanzen bei Kontakt mit diesem Kompost längere Blätter und Wurzeln bilden. „Und unsere Tests haben gezeigt, dass aufgrund der Proteinbasis keinerlei Risiko besteht, dass diese Produkte den Boden mit Mikroplastik oder anderen unerwünschten Chemikalien verunreinigen, wenn sie zerfallen“, stellt Capezza fest.
Nach Schätzungen von Capezza wären proteinbasierte Hygieneprodukte etwa 10 bis 20 % teurer als herkömmliche Windeln und Einlagen aus Kunststoff. Die Leistung von Proteinbinden ähnelt der von herkömmlichen Binden. Andererseits sind Proteinwindeln nicht so saugfähig wie ihre Gegenstücke aus Kunststoff. Das bedeutet, dass Proteinwindeln entweder dicker sein oder ihre Formulierung angepasst werden müsste, um die Absorption zu verbessern.
Um die Flüssigkeitsaufnahme und die mechanische Festigkeit zu steigern, erforschen die Forscher nun den Zusatz von Lignocellulose, einer Mischung aus Lignin und Cellulose, die in Pflanzen vorkommt. Dieses Material ist ein minderwertiges Nebenprodukt der Land- und Forstwirtschaft. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Leistung durch die Zugabe der Leistung herkömmlicher Windeln nahe kommt.
Das Team bereitet sich derzeit auf Pilotstudien vor, um die Machbarkeit einer Produktionssteigerung zu testen. Bevor eines dieser Produkte auf den Markt kommen kann, müssen zusätzliche Bewertungen durchgeführt werden, einschließlich Tests zur Hautreizung beim Menschen, sagt Capezza.