Van het nieuwe materiaal zal tot 2030 honderdduizend kilo per jaar worden geproduceerd. Het kan daarmee een deel van de huidige plastics vervangen.
Wat ooit bedoeld was als een veelzijdig en duurzaam materiaal, heeft in relatief korte tijd de hele wereld vervuild. Op de bodem van de oceanen ligt inmiddels tussen de 3 en 11 miljoen ton plastic, we ademen een pinpas aan plastic per week in en het regent zelfs plastics. Maar hoe graag we ook af willen van dit vervuilende materiaal: het speelt nog steeds een grote rol in onze samenleving. En dus proberen wetenschappers allerlei manieren te vinden waarop we plastic beter kunnen recyclen, uit de oceanen kunnen vissen of kunnen vervangen met andere materialen. Daarnaast lopen ook tal van onderzoeken naar biologisch afbreekbaar plastic.
Een team bio-ingenieurs van de Universiteit van Kobe heeft daar samen met het biologisch afbreekbare polymeerproductiebedrijf Kaneka Corporation nieuwe stappen in gezet. De onderzoekers wisten een plastic te maken door al bestaande plantaardige bioplastics te mengen met door bacterie-geproduceerde plastics. Deze bacteriën zijn met dit doel door de onderzoekers zelf ontworpen. Volgens de onderzoekers heeft het nieuwe materiaal de perfecte combinatie van bio-afbreekbaarheid, gebruik van plantaardige materialen en is het plastic van hoogwaardige kwaliteit.
Maïszetmeel
Het al bestaande plantaardige bioplastic waar de onderzoekers gebruikt van maakten, heet polymelkzuur (PLA). “Tegenwoordig wordt PLA op industriële schaal geproduceerd uit 100% plantaardige verbindingen”, vertelt onderzoeker Seiichi Taguchi. “Maïszetmeel is daar een belangrijke hulpbron voor.” Helaas is PLA vrij bros en breekt het niet goed af. De onderzoekers besloten daarom om het te combineren met de polymeer LAHB. ‘“LAHB heeft namelijk twee belangrijke eigenschappen”, valdus Taguchi. “Het is te maken uit biologische materialen en het is biologisch afbreekbaar.”
De vorming van LAHB
Deze polymeer gebruiken, is enkel makkelijker gezegd dan gedaan. Om LAHB te verkrijgen moesten de onderzoekers bacteriën genetisch bewerken zodat zij deze polymeer konden produceren. “In een eerdere studie heb ik een microbiële fabriek opgezet waarin ik Escherichia coli-bacteriën gebruikte, om zo LAHB te maken uit biomassa afkomstige koolstofbronnen”, vertelt Taguchi. In dit onderzoek besloten de onderzoekers het echter over een andere boeg te gooien, en gebruikten ze als basis de bacterie Cupriavidus necator. Deze kon in theorie meer LAHB produceren en van een betere kwaliteit. “Bovendien voedt C. nectator zich uitsluitend met glucose als voedsel- en energiebron en heeft deze van nature al het vermogen om de LAHB-voorloper ‘3HB-CoA’ te produceren.”
De onderzoekers hoefden daarom slechts drie genen toe te voegen aan het genoom van de bacteriesoort om deze lactaat (LA) te laten produceren en dit vervolgens te combineren met hydroxybutyraat (HB) om zo LAHB te vormen. Het resultaat: een bacteriële plasticfabriek die grote hoeveelheden ketens van LAHB produceert, met alleen glucose als grondstof.
LAHB heeft een aantal voordelen, maar het belangrijkste is dat het biologisch afbreekbaar is en goed mengt met polymelkzuur. Het bijzondere aan LAHB is dat het een ultrahoog molecuulgewicht kan bereiken. De onderzoekers konden LAHB-ketens tot tien keer langer produceren dan met conventionele methoden. Door dit ultrahoog molecuulgewicht aan polymelkzuur toe te voegen, creëerden ze een materiaal dat alle gewenste eigenschappen vertoont. Het resulterende, zeer transparante plastic is veel beter vormbaar en schokbestendiger dan puur polymelkzuur, en wordt ook binnen een week biologisch afgebroken in zeewater.
Plastic van de toekomst?
“Zoals u weet, wordt er jaarlijks ongeveer vierhonderd miljoen ton aan uit aardolie gewonnen plastic geproduceerd”, vertelt Taguchi. “We moeten tot 2030 dus eigenlijk twee miljard kilo van deze LAHB-PLA per jaar produceren.” Daar zijn de onderzoekers helaas nog lang niet. “Momenteel zijn we van plan om tot 2030 honderdduizend kilo per jaar te produceren.” Toch is de onderzoeker optimistisch. “Door polymelkzuur te mengen met LAHB kunnen de vele problemen van polymelkzuur in één klap worden overwonnen. Daarnaast verwachten we dat het zo gemodificeerde materiaal een ecologisch duurzaam bioplastic zal worden dat voldoet aan de tegenstrijdige behoeften van fysieke robuustheid en biologische afbreekbaarheid.”
Ondertussen blijft het team nieuwe mogelijkheden onderzoeken om meerdere problemen in één oplossing te gieten. “Het voor dit onderzoek gekozen organisme, C. nectator, heeft bijvoorbeeld van nature het vermogen om CO2 op te nemen en dat als koolstofbron te gebruiken.” Daarmee zou mogelijk de CO2-uitstoot gebruikt kunnen worden als voedingsbron. “We hebben van de New Energy and Industrial Technology Development Organization financiering gekregen om meer onderzoek te doen in die richting.”
