Chemische complexiteit behouden in de groene chemie

Groene chemie is niet alleen een andere wetenschap dan de bestaande, fossiele chemie; groene chemie vertegenwoordigt ook een andere filosofie. Terwijl de chemische industrie nu probeert ingewikkelde verbindingen op te bouwen uit eenvoudige stoffen, zal de groene industrie uitgaan van de chemische complexiteit van de uitgangsstof en proberen deze in het proces te behouden of rechtstreeks te benutten. We gaan van reductionisme naar holisme: naar bewerking van het hele natuurlijke materiaal als zodanig. Dit is een revolutie in het chemische denken.

Dit is het derde artikel in een serie over groene chemie. De artikelen verschenen op 4 juni, 14 juni, 19 juni en 12 juli 2015.

Schelp van een zeeoor
In de natuur komen veel composietmaterialen voor, zoals zichtbaar in deze micro-dwarsdoorsnede van de schelp van de zeeoor (Foto: Science Photo Library).

De eerste stapjes

Eerder hebben Alle Bruggink en Johan Sanders op deze site al een pleidooi gevoerd voor het behoud van chemische complexiteit in de industrie. We nemen nu als voorbeeld groene constructiematerialen, zoals groene composieten. Deze worden al toegepast als panelen in auto-interieurs. Composieten zijn materialen die bestaan uit verschillende stoffen die nauw met elkaar verweven zijn om speciale eigenschappen te verkrijgen, zoals sterkte gecombineerd met een laag gewicht. Industriële composieten bestaan uit een plastic (typisch een polyester) versterkt met een vezel. Geheel groene composieten bestaan uit groene plastics, versterkt met cellulosevezels. Het maken van de groene composieten volgt nu nog de logica van de bestaande chemie: opbouw uit kleine onderdelen. De groene grondstof is bijvoorbeeld suiker, grondstof voor de fermentatie van barnsteenzuur en butaandiol; samen de bouwstenen voor de groene polyester PBS. En deze kunnen we weer versterken met vezels uit hout of stro. Heel geleidelijk, opboksend tegen scherpe eisen aan kwaliteit en prijs, winnen zulke groene panelen veld in de auto-industrie. Deze inbouw van natuurlijke vezels is een eerste voorzichtige stap op de weg naar behoud van chemische complexiteit.

Holistische aanzet

De groene chemie gaat het maken van ‘groene’ autopanelen heel anders benaderen. Er bestaat immers een uitstekend groen constructiemateriaal: hout, zelf ook een composiet. Maar hout voldoet niet aan de eisen van de auto-industrie. Ja, in luxe auto’s vind je prachtige glad gelakte houten panelen, gemaakt met veel handwerk en dus duur. Bestaande houtproducten als triplex voldoen niet voor massaproductie van panelen: niet buigbaar, te kwetsbaar enz. Maar onderzoekers doorgronden steeds beter de structuur van hout en leren deze met micro-ingrepen te manipuleren. Nu al kunnen we met grove middelen (zoals verwarming of behandeling met azijnzuuranhydride) aan zachthout de eigenschappen van hardhout meegeven. Onderzoekers zijn erin geslaagd om cellulosevezels te ontleden tot fibrillen en deze weer tot microfibrillen, en van daaruit materialen te maken met elke gewenste eigenschap, zoals balken sterker dan staal of vezels met de eigenschappen van katoen. We kunnen ons nu voorstellen dat we met groene chemie een paneel rechtstreeks uit de boom zullen gaan maken. We moeten daartoe ‘alleen’ de juiste houtsoort uitzoeken, en de juiste enzymen, chemicaliën en temperatuurbehandeling op de juiste plaatsen. Wanneer we verder in de toekomst kijken, zullen we met behoud van chemische complexiteit allerlei bestaande productieprocessen kunnen verbeteren, en ook vele nieuwe kunnen ontdekken.

Eiwit
De biologische functie van eiwitten is geheel afhankelijk van hun ruimtelijke structuur.

Nieuwe mogelijkheden op basis van chemische complexiteit

Zetmeel en eiwitten zijn andere plantaardige stoffen, ruim voorradig, die we steeds beter leren toepassen in hun natuurlijke vorm, met lichte bewerkingen. Een fraai voorbeeld van behoud van chemische complexiteit vormen de zetmeelplastics – rechtstreeks gemaakt uit zetmeel zonder deze stof eerst te ontleden. Zetmeelplastics, pas opgekomen rond de eeuwwisseling, hebben unieke eigenschappen waardoor ze bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in biologisch afbreekbare plantenpotten, die de kweker gewoon in de grond kan laten zitten. Bij eiwitten hangen de eigenschappen nog sterker af van hun structuur. De verwerking van eiwitten, bijvoorbeeld tot veevoer, begint nu nog meestal met het verbreken van die structuur (denaturatie, zoals bij het koken van een ei). Maar aardappelverwerker AVEBE heeft een proces ontwikkeld waarbij aardappeleiwitten worden gewonnen met behoud van hun structuur (en daarmee hun biologische activiteit). Met enige fantasie kunnen we vele nieuwe toepassingen van deze technologie voorzien. AVEBE’s eiwitten vinden nu nog hun weg naar tamelijk eenvoudige producten, zoals sportdranken en slagroom. Maar als onderzoekers deze methode kunnen uitbreiden naar andere plantensoorten, komt isolering van alle mogelijke geneeskrachtige en anderszins nuttige plantaardige eiwitten in het vizier. Om maar niet te spreken van de smaakeffecten die wij met volledig functionele plantaardige eiwitten zouden kunnen bereiken.

Hulp uit de biologie

De synthetische biologie zou ons een nieuwe kijk kunnen gaan leren op het omgaan met chemische complexiteit. Nu draaien synthetisch biologen nog vooral aan de knoppen van de genetische codes om de eindproducten van het metabole pad naar hun hand te zetten. Maar samen met de chemici, en dan vooral met de deskundigen uit de hoek van de katalyse, slagen ze er steeds meer in de afzonderlijke stappen op het metabole pad te ontrafelen, en te bepalen welke genetische codes (samen met alle vervolgstappen) deze omzettingen bepalen. Dat leidt tot de ontdekking van nieuwe enzymen of tot het ontwerp van nieuwe katalysatoren waarmee we op subtiele wijze en doelgericht één omzetting in een complex geheel kunnen bewerkstelligen. Het aantal projecten en voorstellen over katalytische omzetting van biomassa is niet bij toeval op dit moment zo groot. En in steeds meer gevallen gaat het dan niet meer om afbraak tot eenvoudige moleculen zoals voor zogenaamde groene brandstoffen of monomeren voor bioplastics, maar om daadwerkelijke en directe omzetting in complexe producten.

In zijn betoog trekt Alle Bruggink een parallel met boeren en koks. Beiden weten heel goed hoe zij de kwaliteit van hun producten kunnen verbeteren – de wetenschap heeft alleen nog niet doorgrond welke chemische omzettingen achter die ingrepen zitten. Onderzoekers zullen er steeds beter in slagen, daar achter te komen. Waardoor die onderzoekers op hun beurt ook steeds meer boer en kok gaan worden – begrijpend wat zij doen, om speciale kwaliteits- en smaakeffecten te bereiken. Behoud van chemische complexiteit gaat nieuwe werelden openen.

(Visited 3 times, 1 visits today)

1 gedachte over “Chemische complexiteit behouden in de groene chemie”

Plaats een reactie