Filato dai rifiuti del macello
I ricercatori del Fare all'ETH hanno sviluppato un filato a partire dalla gelatina convenzionale che ha proprietà simili alle fibre di lana merino. Ora stanno lavorando per rendere questo filato ancora più impermeabile.
Attualmente nel mondo vengono commercializzati circa 70 milioni di tonnellate di fibre all'anno. Quasi due terzi di queste sono fibre sintetiche a base di petrolio. Le fibre naturali più utilizzate sono la lana e il cotone, ma hanno perso terreno rispetto alle fibre sintetiche.
Le fibre ottenute da biopolimeri di origine vegetale o animale sono un prodotto di nicchia assoluto, anche se ecologico. Già alla fine del XIX secolo si tentava di trasformare le proteine in tessuti. Nel 1894 è stato depositato un brevetto per tessuti realizzati con la gelatina. Tuttavia, dopo la Seconda Guerra Mondiale, le fibre sintetiche emergenti hanno rapidamente e completamente soppiantato le fibre proteiche biologiche dal mercato.
Negli ultimi anni, tuttavia, la richiesta di fibre naturali provenienti da produzioni ecocompatibili e da risorse rinnovabili è diventata più forte. Le fibre di lana, in particolare, hanno conosciuto una rinascita nell'abbigliamento sportivo funzionale in lana merino. E qualche anno fa, un giovane imprenditore tedesco ha iniziato a produrre tessuti di alta qualità a partire dalla proteina del latte, la caseina.
Un nuovo uso per i prodotti di scarto
Philipp St?ssel, dottorando del Gruppo Materiali Funzionali (FML) del professore Wendelin Stark, presenta ora un nuovo processo in collaborazione con il Laboratorio Fibre Avanzate dell'Empa di San Gallo che può essere utilizzato per produrre fibre di alta qualità dalla gelatina. ? stato in grado di filare le fibre in un filato che può essere utilizzato per produrre tessuti.
La gelatina è costituita essenzialmente da collagene, che è il componente principale di pelle, ossa e tendini e viene prodotto in grandi quantità come scarto nei macelli. La gelatina può essere facilmente prodotta da questo materiale. Per Stark e St?ssel è stata quindi una scelta ovvia utilizzare questo biomateriale per i loro esperimenti.
La coincidenza ha aiutato a trovare una soluzione
Durante gli esperimenti, St?ssel notò che quando si aggiungeva un solvente organico (isopropanolo) a una soluzione acquosa di gelatina riscaldata, la proteina si depositava sul fondo del contenitore. Aspirò la massa informe con una pipetta e riuscì a spremere un filo elastico e senza fine senza alcuno sforzo. Questo fu il punto di partenza per il suo insolito lavoro di ricerca.
Nel corso della sua tesi di dottorato, lo scienziato ha infine sviluppato e perfezionato il metodo, che è stato appena presentato in una pubblicazione sulla rivista "Biomacromolecules".
Invece di una pipetta, utilizzò diverse pompe a siringa disposte in parallelo. Applicando una pressione uniforme, le siringhe espellevano sottili filamenti continui, che venivano guidati su due rulli rivestiti di teflon. I rulli erano costantemente bagnati in un bagno di etanolo; ciò impediva ai filamenti di attaccarsi tra loro e permetteva loro di indurirsi rapidamente prima di essere arrotolati su un nastro trasportatore. Con il sistema di filatura da lui sviluppato, il ventottenne è riuscito a produrre 200 metri di fibre al minuto. Ha poi ritorto circa 1000 singole fibre in un filato utilizzando un fuso manuale. Come oggetto dimostrativo, il ricercatore ha fatto lavorare a maglia un guanto.
Il filato brilla di seta
I singoli filamenti sono estremamente sottili e hanno un diametro di appena 25 micrometri. Un capello umano ha uno spessore doppio. Con i primi sistemi di filatura da laboratorio, lo spessore delle fibre era di 100 micrometri, ricorda St?ssel. Era troppo spesso per la produzione di filati.
La superficie delle fibre è liscia, mentre le fibre di lana naturale presentano piccole scaglie. "Le fibre di gelatina hanno quindi una bella lucentezza", spiega St?ssel. Inoltre, l'interno delle fibre è pieno di cavità, come mostrano le immagini al microscopio elettronico dei ricercatori. Questo potrebbe anche essere il motivo del buon effetto isolante del filato di gelatina, che St?ssel ha potuto misurare rispetto a un guanto di lana merino.
Fibre impermeabili
Lo svantaggio di principio della gelatina, tuttavia, è che è solubile in acqua. St?ssel ha dovuto migliorare notevolmente la resistenza all'acqua del filato attraverso varie fasi di lavorazione chimica. Per prima cosa ha trattato il guanto con una sostanza epossidica per legare più saldamente tra loro i componenti della gelatina. Il ricercatore ha poi trattato il materiale con formaldeide per polimerizzarlo ancora meglio. Infine, per rendere il filato più morbido, lo ha impregnato di lanolina, un grasso naturale della lana.
Nei prossimi mesi, fino alla fine della sua tesi di dottorato, Philipp St?ssel studierà come rendere le fibre di gelatina ancora più impermeabili. Dopotutto, la lana di pecora è superiore al filato di gelatina da questo punto di vista. Tuttavia, lo scienziato alimentare è convinto di essere molto vicino al suo obiettivo finale: la produzione di una fibra biopolimerica da un prodotto di scarto.
I ricercatori hanno presentato una domanda di brevetto per la loro invenzione due anni fa e la domanda è attualmente in fase internazionale. Secondo il dottorando, ora hanno raggiunto il limite di capacità del laboratorio, ma la produzione su larga scala è possibile solo se si trovano partner e denaro.
Budino, colla e filato
La gelatina si ottiene dal collagene. Il collagene è la proteina più comune nel corpo umano e il componente principale del tessuto connettivo e della pelle. Questo biopolimero è costituito da una tripla elica di proteine filamentose che si attorcigliano e si avvolgono l'una sull'altra come i fili di un bastoncino di zucchero. La gelatina si ottiene principalmente dalla pelle e dalle ossa di bovini e suini. Il collagene viene parzialmente denaturato durante il processo: I tripli filamenti si dissolvono e i singoli fili si riorganizzano. La gelatina può assorbire molta acqua e gonfiarsi notevolmente. Per questo motivo viene spesso utilizzata in cucina come agente gelificante in budini o creme. In passato, il collagene veniva utilizzato anche per produrre colla, o colla d'ossa.
Riferimento alla letteratura
Stoessel PR, Krebs U, Hufenus R, Halbeisen M, Zeltner M, Grass RN, Stark WJ. Filato multifilamento poroso e resistente all'acqua ricavato dalla gelatina. Biomacromolecules, 2015, 16 (7), pp 1997-2005. DOI: pagina esterna10.1021/acs.biomac.5b00424
Stoessel PR, Raso RA, Kaufmann T, Grass RN, Stark WJ. Fibre meccanicamente simili alla lana di pecora ottenute dalla filatura a umido di gelatina e plastificanti opzionali. Materiali e ingegneria macromolecolare. Volume 300, numero 2, pagine 234-241, febbraio 2015. DOI: pagina esterna10.1002/mame.201400240
Stoessel PR, Grass RN, Sánchez-Ferrer A, Fuhrer R, Schweizer T, Mezzenga R, Stark WJ. Filatura di fibre porose simili alla lana di coniglio d'angora da una miscela non equilibrata di gelatina/acqua/2-propanolo. Materiali funzionali avanzati. Volume 24, numero 13, pagine 1831-1839, 2 aprile 2014: pagina esterna10.1002/adfm.201303321