Bioplastics, een primer

10 maart 2017 door Michiel Dusselier in Chemie

Plastics zijn polymeren. Polymeren bestaan uit een min of meer vaste herhaling van monomeren, hun bouwstenen dus. Twee erg courante plastics zijn polyethyleentereftalaat en geëxpandeerd polystyreen, beter bekend als PET (van de gelijknamige fles) en isomo. Doorgaans worden de monomeren, zoals bv styreen, aan elkaar geregen in een polymerisatie proces.

Wanneer we of over bioplastics spreken, gaat het hier grofweg, enerzijds over plastics die gemaakt zijn uit biologische bronnen óf anderzijds over plastics die bio-afbreekbaar zijn in bepaalde realistische condities (bv in de natuur of in de compostinstallatie). Dit staat in contrast met de meeste plastics die nu gebruikt worden: klassieke plastics, zoals bv polystyreen, zijn volledig inert en op fossiele grondstof gebaseerd (olie/gas). Sommige bioplastics daarentegen zijn zowel afbreekbaar en hernieuwbaar. Polymelkzuur, in het Engels afgekort PLA, is er zo een. Met hernieuwbaar wordt bedoeld dat ze gemaakt zijn uit plantaardig materiaal (suiker uit riet, biet of maïs in dit geval) dat zich elk groeiseizoen hernieuwd. Deze bronnen zijn dus theoretisch onuitputbaar, en nemen CO2 op uit de lucht om te groeien. Natuurlijk moet men hier ook bij kijken naar de impact op het land en de duurzaamheid van de gewas- of biomassaproductie. Levenscyclusanalyses lijken te tonen dat de productie van PLA door zijn groene oorsprong (CO2 uit de lucht) minder CO2/kg uitstoot dan klassieke plastics (Groot & Boren, Int J Life Cycle Assess, 2010), alhoewel verdere studies wenselijk zijn.

De twee grote uitdagingen voor dergelijke bioplastics zijn vaak de kostprijs van de productie en het op punt krijgen van de juiste eigenschappen in functie van een bepaalde toepassing. In deze context voerde ik mijn doctoraatsonderzoek aan de KU Leuven bij Prof. Bert Sels. Specifiek gingen we op zoek naar alternatieve chemische processen om de productie van PLA eenvoudiger, groener en potentieel goedkoper te maken. De huidige productie is te duur omdat die meerdere tussenstappen nodig heeft. Eerst wordt van het monomeer melkzuur een soort préplastic gemaakt in een reactor op hoge temperatuur en lage druk (lees: kostelijk). Daarna wordt die préplastic terug afgebroken tot de echte bouwsteen van PLA, namelijk lactide, wederom eens lastig procéde. Dit lactide kan dan eenvoudig gepolymeriseerd worden tot PLA.

In mijn doctoraat ontwikkelde ik een éénstapsproces, dat rechtstreeks melkzuur omzet in de echte bouwsteen lactide. Niet alleen kunnen we zo een stap in het proces uitsparen, het nieuwe proces draait op mildere condities: ongeveer 100 °C lager in temperatuur en op atmosferische druk. Het geheim van de omzetting zit in het gebruik van een zeoliet als katalysator. Zeolieten zijn mineralen met een poreuze structuur, vol kanalen en gaten. In die kanalen, met een diameter van ongeveer 0.5 nanometer (oftewel 1/100.000e van een mensenhaar), kunnen de moleculen rondvliegen. Daarbij botsen ze veel met de rand van die kanalen en net daar zitten de actieve bestanddelen (ook wel sites genoemd) van de zeoliet. Door de juiste zeoliet te selecteren op de vorm van de kanalen zorgen we ervoor dat het melkzuur rechtstreeks de PLA-bouwblokken vormt, en tegelijk dat de préplastic niet kan gevormd worden. De preplastic past simpelweg niet in de kanalen en erbuiten zijn geen actieve sites. Dit concept, namelijk het sturen van een reactie door middel van de vorm van de kanalen en de moleculen, heet vormselectiviteit en komt oorspronkelijk uit de petrochemie. Door als onderzoeker van het FWO met een bredere kijk, en over velden heen, te kunnen werken, zagen we mooie kansen dergelijke concepten te vertalen naar nieuwe gebieden waar ze traditioneel niet gekend zijn. Zoals hier bijvoorbeeld in de productie van bioplastics. Dit procedé is een goed voorbeeld van hoe chemische nijverheid én biotechnologie (melkzuur fermentatie) kunnen samengaan. Dit proces is door de KU Leuven gepatenteerd en dat patent is ondertussen verkocht aan een chemisch bedrijf.

 

eosblog

Uiteraard zal PLA nooit volledig de traditionele plastics vervangen; sommige producten, zoals de afvoerbuis van je toilet, mogen nu eenmaal niet biodegradeerbaar zijn. Maar wat er van polymelkzuur gemaakt wordt (en kan worden, denk maar aan 3D printers), kan mogelijks wel goedkoper en groener. Echter, het deels vervangen van klassieke plastics door groenere plastics kan een optie zijn, maar het zal altijd een deeloplossing blijven. Het mag zeker niet gepaard gaan met de idee dat het nu OK is om deze plastics vaker weg te werpen in het milieu. Ten eerste gaat dit zeker niet op voor alle PLAs, want de klassieke vorm ervan lijkt heel erg traag af te breken in aquatische omgevingen. PLA is echter wel goed afbreekbaar in industriële compostinstallaties (bv voedselverpakking die mee in de groenbak mag) en kan zelfs in chemische condities gerecycleerd worden tot melkzuur. In een tweede luik van mijn onderzoek proberen we nu de eigenschappen van klassieke PLA aan te passen door middel van kleine additieven in de monomeer-mix. Zo gaan we op zoek naar PLA dat beter bestand is voor bepaalde toepassingen, alsook naar PLA dat wél beter afbreekt in water.

Tot slot is er in de plastic wereld veel aan het gebeuren omtrent recyclage (Carey: ‘On the brink of a recycling revolution?’, PNAS 2017). Naast degradeerbaarheid is het zeker een stap in de goede richting om plastics zoveel mogelijk te herbruiken, eerst door de consument (zakjes bvb), en later via recyclage door selectieve ophaling. De recent ingevoerde ‘roze zakken’ voor zachte plastics in het Leuvense en omstreken, lijken zeker een stap in de goede richting. Persoonlijk vul ik nu bijna 2 roze zakken voor elke bruine huisvuilzak. Een laatste bedenking: voorkomen is beter dan genezen of vervangen. Hoeft iedere koek uit een serie van 10 nog eens apart verpakt te worden binnenin zijn verpakking? Moet een komkommer door plastic worden omwikkeld als die al een schil heeft…?

«    |   

Een reactie geven