De druk om oplossingen te vinden die olie kunnen vervangen in de kunststofindustrie heeft ertoe geleid dat verschillende onderzoeksgroepen innovatieve biologische wegen verkennen. Deze strategieën zijn erop gericht de vervuiling en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en schonere en efficiëntere industriële processen te bieden.
Tot de onderzochte benaderingen behoren biomanufacturingtechnieken die bacteriën, enzymen en specifieke voedingsstoffen combineren om verbindingen te genereren met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van kunststof. De implementatie van deze methoden brengt veranderingen met zich mee in de industriële productieketen en in de manier waarop materialen op duurzame wijze worden geproduceerd.
Welk materiaal kan aardolie vervangen bij de productie van kunststof?
Het door Japanse onderzoekers ontwikkelde materiaal is pyridinedicarbonzuur (PDCA), een verbinding die aardolie kan vervangen bij de productie van kunststoffen. Het wordt verkregen uit bacteriën en enzymen die voedingsstoffen zoals glucose omzetten in een biologisch afbreekbaar monomeer.
Dankzij de chemische structuur, gebaseerd op een pyridinering met twee carboxylgroepen, kan het de uit aardolie afgeleide monomeren bij de productie van PET vervangen, zonder dat er grote hoeveelheden giftig afval worden geproduceerd.
PDCA onderscheidt zich door zijn vermogen om op een schonere manier in industriële processen te worden geïntegreerd dan traditionele polymeren, hoewel de grootschalige productie ervan tot nu toe werd beperkt door lage opbrengsten en vervuilende bijproducten.
De rol van biotechnologie in deze Japanse ontdekking
Onderzoekers van de Universiteit van Kobe zijn erin geslaagd de synthese van PDCA te verbeteren met behulp van Escherichia coli, waardoor de opbrengst zeven keer hoger is dan bij eerdere methoden. Enkele van de gebruikte biotechnologische processen waren:
- De bacteriën werden gevoed met glucose en versterkt met specifieke enzymen.
- Het proces verminderde de productie van giftig afval aanzienlijk.
- Het celmetabolisme wordt benut om stikstof op te nemen en de verbinding van begin tot eind te produceren.
Bio-ingenieur Tanaka Tsutomu, verantwoordelijk voor het project, verklaarde: “We willen het celmetabolisme benutten om de verbinding te produceren zonder ongewenste bijproducten te genereren”.
Deze aanpak bevestigt dat biomanufacturing effectieve alternatieven kan bieden om aardolie in de kunststofindustrie te vervangen.
Tijdens de eerste tests ontstond een schadelijk bijproduct dat de stabiliteit van het proces bemoeilijkte. Om dit op te lossen, voerden de wetenschappers de volgende processen uit:
- Er werd pyruvaat aan de kweek toegevoegd.
- De groeiomstandigheden van de bacteriën werden aangepast.
- Er werden verbindingen toegevoegd die het gegenereerde waterstofperoxide neutraliseren.
Hoewel deze maatregelen de productie hebben gestabiliseerd, blijven er twijfels bestaan over de economische haalbaarheid op grote schaal, een belangrijke uitdaging voor de grootschalige toepassing van PDCA in de industrie.
Toepassingen van PDCA en hoe het aardolie kan vervangen
Pyridinedicarbonzuur behoort tot een familie van heterocyclische verbindingen met diverse toepassingen in onderzoek en chemische synthese:
- Dipicolinezuur (pyridine-2,6-dicarbonzuur): hittebestendig en chelaatvormer voor metalen zoals chroom, zink en koper.
- Dinicotinezuur (pyridine-3,5-dicarboxylzuur): tussenproduct in farmaceutische en organische synthese.
- 2,4-Pyridinedicarboxylzuur: gebruikt in onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen en antimetastatische studies.
In het geval van PDCA is de belangrijkste industriële toepassing het vervangen van uit aardolie afgeleide monomeren bij de productie van PET, met een kleinere impact op het milieu en een vermindering van verontreinigende afvalstoffen.
De ontdekking van PDCA positioneert biomanufacturing als een solide alternatief voor het gebruik van aardoliederivaten. De integratie ervan in de kunststofindustrie zou het volgende mogelijk maken:
- De productie van duurzamere en milieuvriendelijkere kunststoffen.
- Vermindering van giftig afval dat gepaard gaat met conventionele productie.
- Optimalisatie van industriële processen door middel van gecontroleerde metabolische routes.
Hoewel er nog technische en economische verbeteringen nodig zijn voor grootschalige productie, betekent pyridinecarboxylzuur een tastbare vooruitgang in de zoektocht naar alternatieven voor aardolie en de vermindering van de wereldwijde plasticvervuiling.
