Die CO2 induzierte Gelierung von biopolymerbasierten Aerogelen für Life-Science-Anwendungen

In dieser Arbeit wird der Gesamtgelierungsmechanismus der CO2 induzierten Gelierung von Biopolymeren für die Aerogelherstellung für Life-Science-Anwendungen untersucht. Am System des amidierten Pektins mit CaCO3 wurden mittels unterschiedlichster in-situ- und ex-situ-Messmethoden die einzelnen Prozessschritte des Gelierungsmechanismus untersucht. Die Gelierung hat den größten Einfluss auf die Einlösung und die Verteilung des CO2. Durch die Bildung der Gelstruktur wird die freie Konvektion in den Proben gehemmt und es tritt eine nahezu reine Diffusion des CO2 auf. Die Diffusion findet in den Poren der Gelstruktur statt und entspricht der Diffusion von CO2 in reinem Wasser. Der Stofftransport des CO2 wird durch die Gelierung zum limitierenden Schritt und ist langsam im Vergleich zur Lösung des CaCO3 oder der Vernetzung der Pektinketten. Das Lösungs- und Reaktionsgleichgewicht des CO2 mit dem Wasser wird nicht signifikant vom amidierten Pektin oder der Gelbildung beeinflusst und kann in guter Übereinstimmung mit der Theorie für das Reaktionssystem Wasser/CO2 bzw. Wasser/CO2/CaCO3 beschrieben werden. Die Gelstabilität wird hauptsächlich von der Menge des CaCO3 bestimmt, da die Menge an freien Ca2+-Ionen die Anzahl der Vernetzungspunkte der Pektinketten bestimmt. Der Pektinanteil selbst hat im Bereich von 0,5 bis 2 Gew.-% keinen signifikanten Einfluss auf die Gelstabilität. Mittels CO2 induzierter Gelierung konnten Aerogele aus amidiertem Pektin, Cellulose und Pektin-Protein-Hybride hergestellt werden. Hohe spezifische Oberflächen von bis zu 700 m2/g wurden für die Pektinaerogele erreicht. Die Untersuchung der hergestellten Aerogele auf ihre Stabilität in typischen Matrizen der Life-Science-Anwendungen – feuchte Luft sowie wässrige und ölige Fluide – zeigte, dass durch die Kombination der Biopolymere die Eigenschaften angepasst werden können. Es konnte ein umfassendes Bild des Gesamtgelierungsprozesses der CO2 induzierten Gelierung erstellt werden.