2021 Create the Future Contest: Sustainable Technologies Gewinner – Multifunktionale Bionanokomposit-Fruchtbeschichtungen

MULTIFUNKTIONALE BIONANOKOMPOSIT-FRUCHTBESCHICHTUNGEN

Sylvia Jung, Nancy Cui, Neethu Pottackal, Pulickel M. Ajayan und Muhammad M. Rahman, Rice University, Houston, TX

Gewinner eines HP Workstations

Hunger und chronische Unterernährung betreffen über 800 Millionen Menschen weltweit, während ein Drittel der weltweit produzierten Lebensmittel verschwendet wird. Dies ist besonders bei Frischprodukten evident, wo fast 40 bis 50 % der angebauten Ernten verschwendet werden. Die Reduzierung dieser Verschwendung hat enormes Potenzial, da bereits eine 15 %ige Reduktion 25 Millionen zusätzliche Menschen ernähren könnte.

Probleme bei Wachsbeschichtungen

Unter kommerziellen Technologien ist die gängigste Methode zur Konservierung verderblicher Produkte das Wachsen – das Auftragen einer künstlichen Beschichtung mit fettsäurebasierten Konservierungsmitteln. Doch mangelnde Waschbarkeit und die Präsenz potenziell toxischer Verbindungen bergen Risiken für Gesundheit und Umwelt.

Lösung: Protein-basierte Nanokomposit-Beschichtung

Die hier beschriebene Lösung ist eine multifunktionale, proteinbasierte, konforme Nanokomposit-Beschichtung aus leicht verfügbaren, kostengünstigen oder Abfall-Biomaterialien. Die Beschichtung bietet eine Kombination von Eigenschaften, die mehrere Konservierungsanforderungen erfüllen: Materialflexibilität, Essbarkeit, Waschbarkeit, Wirksamkeit, Bioabbaubarkeit und Erscheinungsbild.

Die Beschichtung besteht primär aus Poly(Albumin)-Protein aus Eiweiß und Zellulose-Nanokristallen aus Holzfasern, zusammen mit verschiedenen anderen biokompatiblen Modifikatoren. Ihre Synthese beginnt mit einer Kombination aus Eiweißprotein, Eigelb und Glycerin, die einen starken, essbaren Film bilden. Zugabe von Curcumin verbessert die antimikrobiellen und antioxidativen Eigenschaften, die mikrobielles Wachstum reduzieren und den optimalen Gasaustausch im Mikroenvironment ermöglichen, indem Sauerstoff verringert und Kohlendioxid erhöht wird, um Frische zu erhalten. Zellulose-Nanokristalle reduzieren weiter die Wasser- und Gaspermeabilität.

Ergebnisse und Marktpotenzial

Konservierungsstudien zeigten, dass nach 8-11 Tagen nach Kauf alle unbeschichteten Früchte enzymatische Bräunung und Verfall zeigten, während die beschichteten Proben Erscheinung und Festigkeit über eine Woche behielten. In-vitro-Studien bestätigten die Essbarkeit der Beschichtung. Im Gegensatz zu Wachsbeschichtungen ist die Beschichtung leicht waschbar und bietet ein glänzendes visuelles Erscheinungsbild. Ihre einfache Verarbeitung führt zu hohem Potenzial für kostengünstige Massenproduktion.

Die Erfindung könnte das Potenzial des essbaren Verpackungsmarktes erschließen, der bis 2025 auf 679 Millionen Dollar geschätzt wird. Sie hat das Potenzial, den 17 bis 65 % Aufpreis für Bio-Produkte abzumildern und eine erschwingliche Alternative für gesundheitsbewusste Verbraucher zu bieten.

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HONORABLE MENTIONS

Thermionic Transistor

John Read und Daniel Sweeney, Space Charge, San Diego, CA

Direkte thermisch-elektrische Energieumwandlung hat das Potenzial, Verbrennungsmotoren und Turbinen in fast allen elektrischen Anwendungen zu ersetzen. Der Thermionic Transistor nutzt elektromagnetische Kraft, um elektrodynamische Geräte zu schaffen, die fast jeden Formfaktor annehmen können, in nahezu jeder Umgebung.

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Aerodynamische Optimierung von Windturbinen

John Maris, Marinvent Corp., Quebec, Kanada

Der Enhanced Airfoil Performance Monitor überwacht direkt die lokale Profilspannung an jedem Rotorblatt einer Windturbine und überträgt Bedingungen drahtlos und in Echtzeit an die Turbinensteuerstation. Er detektiert kleinste Luftstromstörungen und löst Alarme aus, wenn Schwellenwerte überschritten werden.

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Recycling von Lithium-Ionen-Elektroden

Donna Baek, Tedd Lister und Luis Diaz Aldana, Idaho National Laboratory, Idaho Falls, ID

Dieser Prozess löst Kobalt und andere wertvolle Bestandteile aus Lithium-Ionen-Batterieelektroden bei Raumtemperatur mit kurzen Reaktionszeiten. Er nutzt kostengünstige Materialien, lässt sich leicht skalieren und verwendet weniger Input-Chemikalien.

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Bessere Zukunft durch Umnutzung von Kohle

PD Madden, Eco Energy International, Tustin, CA

Diese Technologie wandelt kohlenstoffbasiertes Material direkt in reinen Wasserstoff um. Die Ausrüstung ist modular, sodass sie in der Nähe der Endnutzer platziert werden kann. Der Prozess reduziert Treibhausgase, die normalerweise von Deponien und Kohleverbrauch emittiert werden, ohne die Umwelt zu schädigen.

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Sehen Sie den Rest der diesjährigen Gewinner:

• GRAND PRIZE WINNER
• AEROSPACE & DEFENSE
• AUTOMOTIVE/TRANSPORTATION
• CONSUMER PRODUCT DESIGN
• ELECTRONICS/SENSORS/IOT
• MANUFACTURING/ROBOTICS/AUTOMATION
• MEDICAL