ReSolve project ontwikkelt biobased alternatieven voor schadelijke oplosmiddelen

Tijdens een workshop op het meest recente European Forum on Industrial Biotechnology (EFIB) in Brussel presenteerde het ReSolve-project een aantal nieuw ontwikkelde, minder schadelijke en zeer bruikbare groene oplosmiddelen. Deze nieuwe bio-based moleculen blijken beter te werken dan hun fossiele tegenhangers. De onderzoekers hebben voor het vaststellen van de chemische, fysische, veiligheids- en duurzaamheidskenmerken van de nieuwe moleculen in een vroeg stadium gebruik gemaakt van een innovatieve methodiek. Deze methodiek kan ook elders worden gebruikt. Het ReSolve-project wordt gesubsidieerd door BBI JU.

ReSolve
FreeImages /Jayesh Nair

Het onderzoeks- en ontwikkelingsproject ReSolve (www.resolve-bbi.eu) startte in 2017. Het wordt geleid door de Universiteit van York (VK), en omvat de samenwerking van 10 projectpartijen. Ongeveer 50 onderzoekers zijn bij het project betrokken. Het doel van ReSolve: groene alternatieven vinden voor de nu in de industrie veel gebruikte traditionele petrochemische oplosmiddelen. Deze aromatische en stikstof houdende oplosmiddelen als tolueen, tetrahydrofuraan en NMP[1] worden door de REACH-regelgeving beschouwd als ‘SVHC’s, Substances of Very High Concern, zeer zorgwekkende stoffen. De huidige beperkingen op het gebruik van SVHC’s kunnen onvoldoende zijn om veilige toepassing te waarborgen. Algemene veiligheid, gezondheid en milieu zijn gebaat bij minder schadelijke alternatieven, die de nadelige economische gevolgen van de beperkende regels voor SVHC-oplosmiddelen verminderen. De markt voor oplosmiddelen is momenteel ongeveer 20 miljoen ton/jaar.

In silico biedt een zeer krachtig onderzoeksinstrument, dat sterk in ontwikkeling is

Om groenere oplosmiddelen te ontwikkelen gebruikte ReSolve een doordachte benadering. Geselecteerde biobased platformmoleculen als pectine, cellulose of glucose dienden als basis om nieuwe oplosmiddelmoleculen te ontwerpen. De eigenschappen van de nieuwe kandidaat-moleculen werden bepaald, en hun geschiktheid als oplosmiddel geëvalueerd, hetzij in silico, hetzij in de praktijk.

De term ‘in silico’ slaat op een nieuw onderzoeksinstrument dat zich sterk ontwikkelt. Kort samengevat worden de termen ‘in vivo’, ‘in vitro’ en ‘in situ’ algemeen gebruikt om experimenten aan te duiden welke respectievelijk in levende organismen of cellen, in de reageerbuis in het laboratorium, of onder echte praktijkomstandigheden plaatsvinden. De pseudo Latijnse term ‘in silico’ slaat op rekenkundig onderzoek: experimenten op de computer of via computersimulaties. De term grijpt terug op het silicium dat voor computerchips wordt gebruikt.

Grafeenantenne ReSolve
Grafeen antenne, net zo gemakkelijk geprint uit een oplossing in cyrene als vanuit NMP. Foto: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.01.007.

Experimenteren ‘in silico’ vereist naast computermodellen ook databestanden met de noodzakelijke gegevens om deze modellen te voeden. De ontwikkelingen in de modellering van chemische en fysische systemen zijn indrukwekkend, bijvoorbeeld om oplosbaarheid van vaste stoffen te voorspellen. Hiervoor komen vrij-bruikbare databestanden beschikbaar. Daarmee bood ‘in silico’ het ReSolve project een goed handvat om het in situ gedrag van veelbelovende kandidaat-moleculen te voorspellen, evenals hun geschiktheid om bestaande oplosmiddelen te vervangen. Middels computersimulaties konden de onderzoekers meer dan 200 kandidaat-moleculen reduceren tot slechts 8 topkandidaten die in het laboratorium werden gemaakt om ze verder te testen.

Onderzoek van giftigheid en duurzaamheid

Het ReSolve project werkt samen met het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM). Dit instituut leidt het DIRECT-project om ‘in silico’-instrumenten te ontwikkelen om veilige en duurzame producten te ontwerpen, zoals Dr. Petra Hoogervorst op de workshop uitlegde. Nog geen vijf jaar geleden, zei ze, waren er nog geen goede modellen en gegevens beschikbaar om dit te doen. Door het uitvoeren van een risicoanalyse van de kandidaat-moleculen ondersteunde het RIVM het ReSolve-project bij de selectie van Safe-by-Design moleculen.

Met zijn online DIAMONDS gereedschapskist (https://diamonds.tno.nl/) deed het onafhankelijke Nederlandse onderzoeksinstituut TNO in silico onderzoek naar giftigheid. En nadat moleculen daadwerkelijk beschikbaar kwamen, voerde het Nederlandse bedrijf Bio Detection Systems innovatieve in vitro tests uit om veiligheid en biologische activiteit vast te stellen. De onderliggende filosofie: groen of bio-based is geen garantie voor lage toxiciteit. Alle derivaten van levulinezuur bijvoorbeeld bleken bij het onderzoek giftig te zijn.

Praktijkonderzoek naar toepassing

Nadat productieprocessen voor de top 8 kandidaat-moleculen waren ontworpen konden energie- en massabalansen worden berekend, konden productiekosten worden geanalyseerd en werd een Life Cycle Analyse uitgevoerd. Deze LCA omvat alle productiestappen van biomassa tot platformmoleculen en van platformmoleculen tot oplosmiddel. Dit resulteerde in economisch levensvatbare en industrieel relevante productieprocessen voor de nieuw ontwikkelde oplosmiddelen.

Ook werd het biobased gehalte van de betreffende moleculen berekend. Hoewel ze worden geproduceerd uit biobased platformmoleculen, zijn ook andere stoffen die bij de productie worden gebruikt  in de berekening meegenomen. Daardoor zal voor veel van deze nieuwe moleculen het biobased gehalte lager dan 100% uitvallen, wanneer tenminste wordt aangenomen dat reactanten zoals waterstof niet van biologische oorsprong zijn.

Bij onderzoek bleken de nieuwe groene oplosmiddelen net zo goed of zelfs beter te presteren dan fossiele SVHC-oplosmiddelen die nu in gebruik zijn. De nieuwe oplosmiddelen resulteerden bijvoorbeeld in lagere reactietemperaturen voor vergelijkbare monomeer conversies, en daarbij werden polymeren verkregen met een vergelijkbaar of beter molecuulgewicht. Het ReSolve-project onderzocht tot nu toe twee bepalende oplosmiddelen: cyrene, al genoemd in een artikel op Biobased Press van 3 augustus 2017, en TMO[2].

Goede vervangers

Jane Murray, mondiaal directeur van de afdeling Green Chemistry van fijnchemicaliën-producent Merck, vermeldde dat biobased oplosmiddelen vaak een goede vervanging bleken in een veelvoud van toepassingen, bijvoorbeeld in analytische laboratoria. En bij het printen van draadloze antennes uit een organische suspensie van grafeen bleek cyrene een prima vervanger van NMP dat momenteel wordt gebruikt. Circa Group, partner in het ReSolve project, wil de productie van cyrene commercialiseren, en heeft daar kort geleden ondersteuning voor aangevraagd bij BBI JU.

TMO blijkt een uitstekende vervanger voor tolueen, maar is duurder, net als trouwens de andere groene alternatieven. In vergelijking met de productiekosten van tolueen (€ 0,83/kg), liggen de geschatte productiekosten voor vervangers tussen € 1,5 en € 3,5/kg. Misschien moet geaccepteerd worden dat de groene alternatieven meer kosten, maar deze kunnen tegelijkertijd ook resulteren in goedkopere processen en lagere gebruikskosten. Wanneer dan ook nog verborgen gebruikskosten voor bijvoorbeeld milieuzorg of gezondheidszorg worden meegerekend, kan de keuze voor biobased oplosmiddelen al snel meer voor de hand komen te liggen.

De twee belangrijkste groene oplosmiddelen zijn door ReSolve uitgebreid getest. Er wordt nog gewerkt aan het beoordelen van de andere biobased oplosmiddelen. Duidelijk is dat er geen één-op-één vervangers voor oplosmiddelen bestaan: een silver bullet zal zeldzaam zijn, en optimale vervangende oplosmiddelen moeten zorgvuldig worden geselecteerd. Jane Murray vermeldde dat de ontwikkeling van selectiegidsen voor oplosmiddelen door de Universiteit van Strathclyde hierbij zeker zal helpen.

[1] NMP is de afkorting van N-Methyl-2-pyrrolidon.
[2] TMO is de afkorting voor 2,2,5,5,-tetramethyloxolaan.

Interessant? Lees dan ook:
Nieuwe Call for Proposals van BBI JU
EuroBioRef: hoe nu verder met een groot Europees R&D project?
Biobased oplosmiddelen komen eraan

(Visited 9 times, 1 visits today)

Plaats een reactie