Bakterielle Nanocellulose

Einen Trend erkennt man immer daran, dass ein Thema plötzlich an Fahrt gewinnt. Im Fall der bakteriellen Nanocellulose ist das gerade der Fall. Bakterielle Nanocellulose ist allerdings schon seit mehr als 100 Jahren bekannt: „ The first references to cellulose produced by bacteriae go back to 1886 by Brown, A. J. on Journal of Chemical Society, Tarr and Hibert in 1931, Khouvine in 1936 and Hestrin, Aschener and Mager in 1947 published studies on fermentation media aiming at cellulose production. Khausal and Walker published in 1951 a study also presenting different fermentation media for cellulose production.“ (1). Besonders aber in den vergangenen 10 Jahren explodierten Veröffentlichungen zu Nanocellulose geradezu. Nanocellulose trifft die Bedürfnisse der Wirtschaft genauso wie die der Verbraucher. Nanocellulose kann aus pflanzlichen Abfällen hergestellt werden und ist leicht recyclierbar. Die Herstellung ist mittlerweile gut erforscht und läuft über eine bakterielle Fermentation, bei der Gluconacetobacter xylinus, das Standard-Bakterium ist.

Cellulose mehr als nur Fasern

Cellulose ist das am längsten bekannte und genutzte Biopolymer. Sie wird in der Regel aus Holz gewonnen. Holz ist einer der wichtigsten Rohstoffe dieser Welt – zum Verbrennen viel zu schade. Die Anwendungen von Cellulose sind so profan wie in Papier oder chemisch modifiziert als Tapetenkleister. Gleichzeitig kann Cellulose elegant als Textilfasern aus Baumwolle, Lein oder Hanf daher kommen (2).
Cellulose ist DER Rohstoff: Er findet sich wieder in Dämmstoffen, Kompositmaterialien, in Fasern (3) oder Plastikersatz (4). Chemisch modifiziert ist Cellulose auch in Trendprodukten wie dem „Beyond Meat Burger“ enthalten, als Verdicker….
Der Markt für Cellulose jenseits der bisherigen Anwendungen jedenfalls wächst, Klimaschutz und Nachhaltigkeit sind dabei wesentliche Aspekte des Wachstums (5-7).

Abbildung 1: Cellulose ist ein Biopolymer aus ß-1,4-verknüpften Glucose-Einheiten und gehört damit zu den Polysacchariden. Cellulose ist Bestandteil der Hemicellulose und diese ist wiederum Bestandteil des Lignins, dem Baustoff der Zellwände von Pflanzen (8), Formel (9).

Bakterielle Nanocellulose wird auch gerne Bakterielle Cellulose genannt. Üblicherweise wird sie in Kulturmedien von dem gramnegativen Bakterium Gluconacetobacter xylinum extrazellulär gebildet (10). Aber auch andere Bakterien sind in der Lage, Cellulose zu synthetisieren (11-16). Nanocellulose besitzt eine einzigartige Struktur. Sie besteht aus sehr feinen Fasern, die ein nanostrukturiertes Netzwerk bilden. Bakterielle Nanocellulose zeichnet sich im Vergleich zur Pflanzencellulose durch besondere Reinheit aus. Bedingt durch die dreidimensionale Nanostruktur wird im feuchten Zustand eine große mechanische Stabilität, Flexibilität und sehr hohe Wasserabsorptionskapazität erreicht (10).

Johnson & Johnson beschreiben in dem Patent US4588400 die Herstellung und Verwendung von Bakterieller Cellulose als Wundverbandmaterial (17). Genauer wird die Herstellung in dem Patent DE10022751A1 dargestellt, in dem der bakterielle Stamm und das Kulturmedium weiter spezifiziert werden. Gleichzeitig wird sowohl die Herstellung von Blättern (sogenannten sheets) beschrieben als auch die Anwendung auf Kosmetika erweitert (18).

Chemisch gesehen sind bakterielle und „normale“ Cellulose gleich, jedoch läßt sich mit der bakteriellen Fermentation Größe und Struktur der Cellulose feiner justieren.
Als Nanocellulose werden folgende Strukturen beschrieben (19, 20):

Cellulose Nanofasern, 5-20 nm, Länge mehrere Mikrometer (21)
Mikrofibrillierte Cellulose, 10-40 nm Durchmesser, Länge > 1000 nm
Nanokristalline Cellulose, Durchmesser üblicherweise 5-70 nm

Abbildung 2: Darstellung des Aufbaus von Pflanzenzellen aus Mikrostrukturen Quelle: (22)

Top-down – oder Bottom-up – Produktionsprozesse für Nanocellulose

Dadurch, dass die Produktion von Cellulose schon sehr lange bekannt ist, konkurrieren im Bereich der Nanocellulose-Herstellung zwei verschiedenen Herstellverfahren:

Top-Down Prozess, in dem Holz und sogenanntes Pulp als Ausgangsmaterial verwendet und durch mechanische und chemische Schritte weiter aufgeschlossen werden
Bottom-up Prozess, in dem durch biotechnologische Fermentation Cellulose aus Pflanzenabfällen oder gleich Glucose synthetisiert werden.

Abbildung 3: Top-down (23) und Bottom-up Verfahren ergeben unterschiedliche Qualitäten von Nanocellulose, bei der die biotechnologisch hergestellte Nanocellulose in der Regel deutlich homogenere Strukturen aufweist. Auch entfällt bei der bakteriellen Nanocellulose eine aufwendige Entfernung von typischen Holzbegleitstoffen, wie Lignin und Hemicellulose.

Das Bottom-up Verfahren beschreibt dabei im Wesentlichen den Fermentationsprozeß zu bakterieller Nanocellulose. Auch hier sind die industriellen Aktivitäten in den vergangenen Jahren stark angewachsen (24). Die Produktausbeute ist abhängig von (25):

Dem eingesetztem Bakterium und dessen Stamm, z.B. Guconacetobacter xylinus
Dem Kulturmedium, Nährstoffgehalt und Mikronährstoffe
Der Kohlenstoffquelle
Temperatur, pH und Dauer der Fermentation
Aufbereitungsprozess

Weiterhin gibt es unterschiedliche Verfahren, im Wesentlichen statisch und bewegte Herstellung, die zu unterschiedlichen Strukturen der Nanocellulose führen und damit auch andere Anwendungen ermöglichen.

Abbildung 4: Vergleich wesentlicher Herstellverfahren. Mit dem statischen Verfahren lassen sich sogenannte „sheets“ erzeugen, die besonders im medizinischen Bereich als Wundabdeckung oder im sogenannten „Tissue Engineering“ ihren Einsatz finden. Für die Entwicklung von Cellulose zur Wirkstofffreisetzung sind die bewegten Verfahren geeigneter (26).

Ein Trend kommt in den Markt – Nanocellulose und Kosmetik

Bakterielle Nanocellulose wurde als sheets in den vergangenen Jahren mehr im Medizinbereich eingesetzt. Als absoluter Vorteil erweist sich die super gute Verträglichkeit des Materials. In der kosmetischen Dermatologie wird sie gerne verwendet: Nach invasiven Behandlungen wie z.B. Needling, Dermabrasion oder Laserbehandlungen. Hier lassen sich mit Nanocellulose Auflagen signifikante Heilungserfolge erzielen (27, 28). In die Kosmetik kommt die Nanocellulose als Bio-Cellulose oder Bakterielle Cellulose. Ihr Einsatzgebiet erfährt sie im Moment vor allem in Tuchmasken (29-31).

Diese sind aber derzeit richtig teuer (32) oder nur im Profibereich erhältlich (33). Der hohe Preis wird mit der super guten Passform und der gigantischen Befeuchtlungsleistung erklärt (34, 35).

Für die kosmetische Anwendung, genau wie die kontrollierte Wirkstofffreisetzung braucht es weiterhin eine sinnvolle Qualitätskontrolle, zu der ein Verfahren von Perugini et al veröffentlicht wurde (36). Die meisten Nanocellulose Masken werden derzeit zusammen mit Wirkstoffen angeboten. Die Produkte von Jenacell werden auch ohne Wirkstoffe angeboten, haben allerdings auch einen enorm hohen Preis (UVP 12,50 € für eine Gesichtsmaske). Das Produkt von Jenacell „epi nouvelle“ (37) unterscheidet sich weiter durch die relative Dicke des Cellulose Tuchs. Damit lassen sich sehr lange Tragezeiten (bis zu 4 Stunden) und eine signifikante Reduktion der Hautoberflächentemperatur erzielen (um bis zu 10°C).

Mein Fazit zu Nanocellulose

Bakterielle Nanocellulose ist gerade auf dem Siegeszug getrieben von dem Wunsch der Verbraucher ihren ökologischen Fußabdruck zu verkleinern. Sie wird sich außer in Masken als Verdicker und Verkapselungsmaterial durchsetzen. Es ist also nur noch eine Frage der Zeit, wann die biotechnologischer Herstellung derart verfeinert ist, dass sich eine großtechnische Herstellung von Nanocellulose lohnt. Damit würden dann die Herstellkosten sinken und diesen Rohstoff deutlich günstiger verfügbar machen. Da die Bioabbaubarkeit und Toxikologie derartig günstig sind, spricht also alles dafür, dass für Nanocellulose und ihre Anwendungen auch Bereiche jenseits von Medizin und Kosmetik offen stehen (19, 38, 39).

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