Cellulose

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Cellulose © minicel73 / fotolia.com

Nano-Cellulose wird wie gewöhnliche Cellulose aus Holz oder anderen Pflanzenmaterialien hergestellt. Sie kann aber auch über biotechnologische Prozesse mit Bakterien aus Zucker gewonnen werden. In den 1980er Jahren verbrauchten die Produktionsprozesse noch verhältnismäßig viel Energie. Aber in dieser Hinsicht hat sich seitdem sehr viel verändert, und Nano-Cellulose wird heute für kommerzielle Anwendungen hergestellt: zum Beispiel für Dämm-Materialien und in Folien für Lebensmittelverpackungen. Auch in medizinischen Produkten wird sie verwendet – nicht zuletzt wegen ihrer wasserspeichernden Wirkung. Als Zusatzstoff wird die Nano-Cellulose Nahrungsergänzungsmitteln beigemischt. Sie dient z.B. als Verdickungsmittel oder Stabilisator.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Nano-Cellulose kann mit menschlichen Organen und Gewebe direkt in Kontakt kommen – in Form von Implantaten oder Materialien zur Wundbehandlung. Sie kann aber auch als Zusatzstoff in Nahrungsergänzungsmitteln über den Magen-Darm-Trakt aufgenommen werden.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Nano-Cellulose ist als ungiftig eingestuft und bewirkt keine Abstoßungsreaktionen im Körper. Es gibt keine Sicherheitsbedenken bei der Nutzung der Nano-Cellulose als Zusatzstoff in Nahrungsergänzungsmitteln, auch wenn beobachtet wurde, dass die Darmwände für diese Substanz durchlässig sind. Experimente konnten zeigen, dass Nano-Cellulose nur in sehr hohen Konzentrationen das Zellwachstum beeinträchtigt.

Fazit

Der Mensch hat regelmäßig Kontakt zu Nano-Cellulose, z.B. über Hygieneprodukte. Aber es gibt keinerlei Bedenken gegenüber diesen Einsatzmöglichkeiten in den verschiedenen Produkten.

 

Nebenbei
  • Gewöhnliche Cellulose ist ohne Höchstmengenbeschränkung für Lebensmittel allgemein zugelassen (E460).

Eigenschaften und Anwendung

Mensch hält einen großen Ballen an Cellulose Fasern in den Händen

Cellulose Fasern © Ingo Bartussek / fotolia.com

Kleinste Fibrillen und Kristalle aus Cellulose weisen hervorragende Eigenschaften für unterschiedlichste Anwendungen auf. Diese auch Nanocellulose genannten Materialien können beispielsweise als Verstärkungskomponente in Kompositmaterialien eingesetzt aber auch für medizinische Implantate und allgemein in den Lebenswissenschaften verwendet werden.

Cellulose ist nicht aus dem alltäglichen Leben wegzudenken. Cellulose, in Holz und Pflanzenfasern vorhanden, dient als Textilrohstoff genauso wie als Baumaterial und auch als Energiequelle. Besonders nachhaltige Materialien beinhalten heutzutage fast immer Cellulosebestandteile. Seit Jahren wird vermehrt Cellulose mit Strukturen im Nanometerbereich aus verschiedenen Rohmaterialien (z.B. Holz, Einjahrespflanzen, Tunicin) isoliert. Solche Cellulose wird dann als Nanocellulose bezeichnet.

Die Nanocellulose wird in drei Kategorien unterteilt: mikrofibrillierte Cellulose (MFC), nanokristalline Cellulose (NCC) und bakterielle Nanocellulose (BNC):

Die Nanocellulose wird in drei Kategorien unterteilt: mikrofibrillierte Cellulose (MFC), nanokristalline Cellulose (NCC) und bakterielle Nanocellulose (BNC):

Mkrofibrillierte Cellulose, MFC hat einen Durchmesser von ca. 5-100 nm bei einer Länge von einigen Mikrometern [1]. Sie kommen in unterschiedlichen Verpackungsmaterialien, in Nanokompositen, Emulsions- und Dispergiermitteln sowie Lebensmitteln zum Einsatz. Des Weiteren werden MFCs in medizinischen, kosmetischen und pharmazeutischen Produkten eingesetzt. Eingearbeitet in Kunststoffe erhöhen die MFCs die Zugfestigkeit dieser Komposite um ein Vielfaches [2]. Ihre Eigenschaft, eine große Menge Wasser speichern zu können bei gleichzeitig geringem Gewicht macht sie auch für Anwendungen in Absorptionsmitteln und Hygieneprodukten interessant.

Nanokristalline Cellulose, NCC hat einen kleineren Durchmesser (5-20 nm) und weist nur einen Länge von 100-250 nm auf, wenn es aus Pflanzencellulose gewonnen wird. Bei der Herstellung aus Algen, Bakterien oder Tunicaten kann die Länge von 100 nm bis hin zu einigen µm betragen [1]. Nanokristalline Cellulose besitzt einzigartige optische und flüssigkristalline Eigenschaften. Bislang scheint es keine Produkte mit NCC am Markt zu geben, jedoch arbeiten unterschiedlichste Branchen an einer Kommerzialisierung, z.B. Papierindustrie, (Lebensmittel-) Verpackungsindustrie oder Beschichtungsunternehmen.

Die bakterielle Nanocellulose (BNC) hat verglichen mit mechanisch isolierter MFC kleinere Durchmesser und ist deutlich homogener. Sie bildet Nanofasernetzwerke unterschiedlichster Morphologie [1]. Ganz im Gegensatz zur MFC und NCC wird bakterielle Nanocellulose, auch Biocellulose, nicht aus vorhandener Cellulose hergestellt sondern durch einen biotechnologischen Prozess mit Hilfe eines Bakteriums beispielsweise aus Zuckern gewonnen. Die Biocellulose besitzt eine ähnlich hohe Festigkeit wie Stahl oder Kevlar (bezogen auf die BNC-Einzelfaser) und weist meist eine sehr hohe Kristallinität von 80-90% auf. Meist bilden sich während der Herstellung formstabile Aerogele aus den BNC-Netzwerken. Diese können einen Porendurchmesser von weniger als 10 µm haben und außerordentlich transparent sein. Derzeit forscht man an Biocellulose in den Bereichen Brennstoffzellen, Elektrotechnik, Membrane, Medizintechnik (insbesondere Implantate auf BNC-Basis) und Kompositmaterialien. Insbesondere für den medizinischen Bereich bestehen zahlreiche Patentansprüche, ohne dass jedoch eine Machbarkeitsstudie (engl. proof-of-principle) oder ein Prototyp vorliegen.

Cellulose ist nicht selbstentzündlich. Als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Cellulose entzündlich (Staubexplosion). Das Verhalten bei einer Staubexplosion ist vergleichbar mit dem anderer, kohlenstoffbasierter Materialien.

 

Herstellung

MFC werden durch isolieren von Holzzellstoff durch mechanischen Druck oder durch Mahlmethoden und vorhergehender chemischer, enzymatischer oder mechanischer (Ultra-Turrax, Inline-Dispergierer, etc.) Behandlung gewonnen. Dabei werden beispielsweise Holzcellulosefasern bei hohen Drücken (bis 1500 bar) durch Interaktionskammern von Homogenisatoren gedrückt, dabei werden Scherkräfte induziert und die Fibrillen freigesetzt. Durch chemische oder enzymatische Vorbehandlung konnte in den letzten Jahren der Energieverbrauch dieser Produktionsmethode deutlich gesenkt werden.

Die nanokristalline Cellulose wird derzeit durch saure Hydrolyse von Cellulose aus Holz, Baumwolle, Hanf aber auch Algen, Bakterien oder Tunicaten u.a. hergestellt. Derzeit gibt es Planungen einer kanadischen Firma eine großtechnische Produktionsanlage für NCC zu bauen.

BNC wird mit Hilfe von Essigsäurebakterien gezielt synthetisch hergestellt auf Basis von niedermolekularen Zuckern, wie beispielsweise Glucose. Derartige Produktionsverfahren zählen zur weißen Biotechnologie [4]. Die industrielle Darstellung der BNC in großem Maßstab befindet sich derzeit jedoch noch in der Entwicklung.


Literatur

  1. Klemm, D et al. (2011), Angew Chem Int Ed Engl, 50(24): 5438-5466.
  2. Empa.ch (DE): Cellulose (Stand letzter Zugang Dez 2017).
  3. Wikipedia (EN) : Nanocellulose (Stand letzter Zugang: Dez 2017).
  4. Wikipedia (DE) : Weiße Biotechnologie (Stand letzter Zugang: Dez 2017).

Hauptanwendungsgebiete für bakterielle Nanocellulosen stellen die Wundversorgung und neuartige bioaktive Implantate dar. Untersuchungen zeigen, dass Implantate aus bakterieller Nanocellulose keine Fremdkörper-Reaktionen hervorrufen.

 

Allgemeine Gefährdung

Im Falle von Wundauflagen sind erste Produkte auf dem Markt erhältlich, die Entwicklung medizinischer Implantate befindet sich noch im Forschungsstadium. In Kombination mit Silberchlorid können antibakterielle Auflagen hergestellt werden. Bakterielle Nanocellulose-Filme gelten als ungiftig [1].

Literatur

  1. Klemm, D et al. (2011), Angew Chem Int Ed Engl, 50(24): 5438-5466.

 

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

Es traten weder Gewebeveränderungen (sog. Fibrosen), noch Einkapselungen (Abwehrreaktion des Körpers zur Isolierung des Fremdstoffes) oder die Bildung von sogenannten Riesenzellen um das Implantat herum auf [1]. In einer Studie an Mäusen wurde gezeigt, dass kurzzeitig Entzündungsreaktionen am und um das Implantat auftreten können, die mit der Zeit (bis 12 Monate Nachbeobachtung) zurückgingen bzw. ganz verschwanden [2].

Literatur

  1. Klemm, D et al. (2011), Angew Chem Int Ed Engl, 50(24): 5438-5466.
  2. Pértile, RA et al. (2011), J Biomater Sci Polym Ed 2011.

 

Untersuchungen außerhalb des Organismus - in vitro

Erst die Gabe sehr hoher Dosen verursacht bei den Zellen eine verminderte Teilungsfähigkeit [1].

Literatur

  1. Moreira, S et al. (2009), Toxicol Lett, 189(3): 235-241.

Cellulose ist natürlicher Bestandteil von Pflanzen und Nanocellulose wird aus diesen durch verschiedene technische Verfahren isoliert (z.B. aus Zuckerrübe, Holz, Ananasfasern). Insofern ist eine Exposition der Umwelt mit technisch hergestellter Nanocellulose schwer von natürlich vorkommender Cellulose abzugrenzen.

In einer Studie wurde der Nanocellulose-Gehalt der Umgebungsluft während der Herstellung (Mahl- und Trocknungsprozess) untersucht. Bei korrekter Bedienung der entsprechenden Maschinen konnten keine oder nur sehr geringe Partikelzahlen nachgewiesen werden, so dass unter Normalbedingungen von einer geringen luftgetragenen Exposition durch den Produktionsprozess ausgegangen wird [1]. Zu anderen Expositionspfaden wie durch Entsorgung von Produkten oder Abwasser liegen derzeit keine Daten vor.

Literatur

  1. Vartiainen, J et al. (2011), Cellulose, 18(3): 775-786.

Nanocellulose findet hauptsächlich Anwendung in der Implantate-Medizin [1,2] und bei der Wundversorgung. Sie tritt also in direkten Kontakt mit dem Gewebe. Dadurch rückt die Bedeutung der üblichen Haupteintrittspforten für Nanopartikel oder Nanofasern, wie Lunge, Haut und Magen-Darm-Trakt, in den Hintergrund. Bakterielle Nanocellulose-Filme gelten als ungiftig.

In Kombination mit Silberchlorid können antibakterielle Auflagen hergestellt werden [3]. Mikrokristalline Cellulose dagegen wird als Lebensmittelzusatzstoff E460i in der Lebensmittel- und auch in der Pharmaindustrie verwendet. Sie dient als Ballaststoff für kalorienreduzierte Lebensmittel, als Trennmittel oder als Trägerstoff. Gegen den Einsatz der mikrokristallinen Cellulose im Nahrungsmittelsektor, z. B. zur Herstellung von Soßen oder kalorienarmen Zubereitungen, bestehen Vorbehalte, da die Darmwände für mikrokristalline Cellulose durchlässig sind.

In der Pharmazie kommt sie als Bindemittel und Trägerstoff für die Tablettenherstellung zum Einsatz [4].

Literatur

  1. Eyholzer, C et al. (2011), Biomacromolecules, 12(5): 1419-1427.
  2. Borges, AC et al. (2011), Acta Biomater, 7(9): 3412-3421.
  3. Klemm, D et al. (2011), Angew Chem Int Ed Engl, 50(24): 5438-5466.
  4. Mikrokristalline Cellulose (Stand 2010) : Roempp online.

Derzeit gibt es nur wenige Untersuchungen, die sich mit dem ökotoxikologischen Potential von Nanocellulose befassen. Nanocellulose besitzt antimikrobielle Eigenschaften, d.h. das Wachstum von Bakterien und Pilzen wird wirksam unterbunden.

Dieser Effekt beruht auf der starken Bindung von Wasser an die Cellulose-Fasern, welches somit der Umgebung entzogen wird [1]. Ist hingegen ausreichend Wasser für bakterielles Wachstum vorhanden, so können Mikroorganismen auch zur Herstellung von Nanocellulose genutzt werden. Dabei nutzt man die enzymatischen Aktivitäten von Bakterien und Pilzen zur Abspaltung von einzelnen Nanocellulose-Fasern aus den komplexen Netzwerken natürlich vorkommender Cellulose.

Im Leuchtbakterientest löste Nanocellulose keine akute Toxizität aus, obwohl sehr hohe Konzentrationen eingesetzt wurden. Es wurde eine NOEC von ≥ 100 mg/l abgeleitet. Jedoch schränkten die Nanocellulose-Fasern die Bewegung von Wasserflöhen ein. Dieser Effekt beruht auf der nicht-gleichmäßigen Verteilung der Fasern im Wasser und ist rein mechanischer Natur. Somit liegt kein Hinweis auf eine direkte toxische Wirkung von Nanocellulose vor [2].

Nach einer umfassenden toxikologischen Charakterisierung von nanokristalliner Cellulose, welche 9 aquatische Arten (u.a. Fische, Wasserflöhe, Algen) verschiedenster Entwicklungsstufen und eine Leberzelllinie der Regenbogenforelle umfasste, konnte kein Gefährdungspotential für Wasserbewohner ausgemacht werden [3]. Es trat keine oder nur eine geringe Toxizität in den Versuchen auf.

Literatur

  1. Wikipedia (EN) : Nanocellulose (Stand letzter Zugang: Juli 2011).
  2. Vartiainen, J et al. (2011), Cellulose, 18(3): 775-786.
  3. Kovacs, T et al. (2010), Nanotoxicology, 4(3): 255-270.

Bisher liegen keine Daten zum Aufnahmeverhalten von Nanocellulose in Zellen vor.

Über das Umweltverhalten von Nanocellulose ist bisher wenig bekannt. Generell wird angenommen, dass in der Luft hauptsächlich Agglomerate anzutreffen sind. Außerdem ist die Bindungsfähigkeit von Wasser sehr hoch, so dass verfügbares Wasser durch die Cellulose gebunden wird [1].

Literatur

  1. Vartiainen, J et al. (2011), Cellulose, 18(3): 775-786.

Weitere Materialien


Bariumsulfat
Cerdioxid
Strontiumcarbonat
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
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