Framtidens plaster är biobaserade

Ramune Kuktaite är forskare på SLU i Alnarp. När vi träffar henne tar Ramune fram en rektangulär bit av ett beige material som är framställt av proteiner från vete. Den är ungefär en halv centimeter tjock, stark och seg, vilket hon demonstrerar genom att böja bioplasten till en båge. En annan rektangulär skiva som är tunn och hård är framställd av andra typer av växtproteiner. I laboratoriet finns massor av "varuprover" i olika former och färger. En del påminner om spagetti, en del om trådar i en spindelväv, annat är till synes färdiga produkter i form av förpackningstråg i plast.

– Det är ett stort problem för miljön att vi använder så mycket oljebaserade plastprodukter. Vår forskning visar att det finns biobaserade alternativ till oljebaserade plaster, säger Ramune.

Hon drivs av jakten på ny kunskap och visionen att bidra till en bättre värld genom att ta fram miljövänliga plastalternativ. Kunskapsjakten fick henne att fundera på brödbak från ett vetenskapligt perspektiv. Det ledde vidare till mer detaljerade studier om hur olika typer av veteproteiner bidrar till brödets kvalité. Och på den vägen har det fortsatt. Kunskap om hur protein beter sig i bröd kan även användas för att förstå hur protein beter sig vid tillverkning av bioplaster med nya egenskaper.

Ett närliggande forskningsspår som Ramune är involverad i är att framställa proteinrika livsmedel, vilka kan användas som hälsosamma alternativ till kött. Tanken är då att använda proteiner från till exempel lokalt odlade bönor, lupiner och ärtor.

På Kaunas tekniska universitet i Litauen fokuserade Ramune under sin mastersutbildning på hur veteproteiner påverkar brödkvalité. Det praktiska arbetet gjorde hon på Institutionen för Växtförädling på SLU i Svalöv. Därmed knöts bestående band med Lantbruksuniversitetet. Hon återvände till Sverige och SLU i Alnarp som doktorand. Avhandlingen, som presenterades i december 2004, handlade om kvalitetsaspekter hos olika veteproteiner.

Efter ett par år i Italien på ett företag som utvecklar glutenfria produkter återvände Ramune till SLU år 2008 för att forska om hur proteiner kan användas för att utveckla nya biobaserade plaster. Det passade väl in i visionen för TC4F. 2010 blev Ramune koordinator för en forskarskola inom programmet vilken inriktade sig mot tvärvetenskaplig forskning om användning av jordbruksresurser för biobaserade plaster.

Att göra bioplast av stärkelse från potatis och majs är inget nytt. Råvaran samt produktionsmetoden är välkänd, däremot är det inte känt hur pass väl metoden fungerar när man använder sig av specialdesignade stärkelsematerial eller när stärkelse används tillsammans med veteproteiner. Att använda specialdesignad potatisstärkelse i kombination med veteproteiner för att framställa kompositmaterial är däremot något nytt. Det ger material med en mängd olika egenskaper.

Forskarna i Alnarp har tagit kombinationen ett steg längre genom att använda stärkelse från en genetiskt modifierad potatis som utvecklats av Mariette Andersson och hennes forskarkollegor med hjälp av CRISPR - den "gentekniska kniven". Resultatet är en potatis som är olik den vanliga matpotatisen både till utseende och innehåll.

Proteinet – gluten – som används för framställning av komposit kommer från vanligt vete. Namnet gluten kommer passande nog från det grekiska namnet för lim och utgörs av en grå massa, som vid bakning, gör degen stark och elastisk vilket underlättar jäsningsprocessen.

Veteproteiner är väldigt spännande "byggmaterial" med olika egenskaper, beroende på vilka delar av proteinerna vi använder - gluten, eller till exempel dess beståndsdelar gliadin och glutein. Genom blandningar med potatisstärkelse har vi fått fram tre typer av bioplastmaterial med olika egenskaper i form av hårdhet, styrka och töjbarhet. Det finns många varianter inom de tre grupperna och egenskaperna skiftar beroende på exempelvis tillverkningstemperatur och mängden mjukgörande glycerol.

I ett annat projekt har vi lyckats få fram både långa starka fibrer och korta tunna fibrer från växtproteiner och stärkelse vilka kan användas till t ex. textilier. Fibrerna framställs med en teknik som påminner om att spinna spindelväv. Vi kan göra fibrer som är så tunna att de måste ses i mikroskop, medan andra är grova som spagetti, berättar Ramune.

– Nu arbetar vi på att förbättra materialet för att om möjligt få fram ännu tunnare fibrer till textilier. Med den optimala blandningen och processtekniken hoppas vi kunna ta fram riktigt intressanta material.

På MAX IV-laboratoriet i Lund har växtproteiner och stärkelse i biobaserade material studerats ner till nanometernivå.

– Vi hittade många intressanta kopplingar mellan nanostrukturer och funktionella egenskaper, vilket gör det lättare att designa olika material med önskvärda egenskaper. Det blir spännande att återvända till MAX IV laboratoriet när det är fullt utbyggt för analys av bioplaster, säger Ramune.

När det gäller råvaror är Lyckeby intresserade av ett samarbete för produktion av potatisstärkelse. Och glutenet som används är en biprodukt från stärkelseindustrin. Dessa proteiner men även andra växtproteiner i form av biprodukter från olika industriella processer är intressanta.

– En vision med vårt arbete är att ta vara på proteinrika biprodukter från annan tillverkning och göra något värdefullare av dem, säger Ramune.

Själva tillverkningsprocessen beskriver hon som att göra våfflor.

– Man blandar ingredienserna och sedan hettas de upp under tryck. Det är inte speciellt komplicerat. Utmaningen ligger i att få till rätt proportion mellan protein och mjukgörare och att blanda komponenterna på ett bra och homogent sätt. I princip finns processtekniken redan i den petroleumbaserade plastindustrin. Det är bara råvaran som behöver anpassas.

Forskarna har dessutom inlett ett samarbete med Lunds universitet för att forma de biobaserade plasterna i en 3D-skrivare. Det ger möjlighet att designa materialet till i princip vilken form som helst.

Råvarorna är egentligen inte dyra, men de är trots allt dyrare än oljebaserade alternativ.

– Vi visar vad som är tekniskt möjligt så får man i nästa steg se hur det kan göras billigare och hur miljöfördelarna ska värderas. Enklare plaster är svåra att konkurrera med prismässigt, men vi är på god väg att utveckla material med tillräckligt bra egenskaper. Till att börja med tror jag det gäller att hitta en specifik nisch för smarta biobaserade material, som till exempel smarta textilier för hälsoövervakning.

Det finns många olika möjligheter. Vi har till exempel tagit fram ett skumliknande material från proteiner som kan användas till husisolering, plaster som passar till förpackningar och material för specialprodukter i exempelvis bilar. Bland företagen som kontaktat oss finns Volvo cars som vill veta mer om våra biobaserade plaster, berättar Ramune Kuktaite.

Text Pär Fornling