11 jul. 2023
3 minuten
Een onderzoeksteam van het Helmholtz Center for Environmental Research (UFZ) en de Universiteit van Leipzig heeft een proces ontwikkeld dat adipinezuur, een van de twee bouwstenen van nylon, kan produceren uit fenol door middel van elektrochemische synthese en het gebruik van micro-organismen. Het team toonde ook aan dat fenol kan worden vervangen door afvalstoffen uit de houtindustrie. Hiervan kan vervolgens biobased nylon worden gemaakt.
Het onderzoek is gepubliceerd in Green Chemistry.
"Ons doel is om de hele nylonproductieketen milieuvriendelijk te maken. Dit is mogelijk als we toegang hebben tot biobased afval als grondstof en het syntheseproces duurzaam maken", zegt dr. Falk Harnisch, hoofd van de werkgroep Elektrobiotechnologie van het Helmholtz Center for Milieuonderzoek (UFZ).
Nylon bestaat voor ongeveer 50% uit adipinezuur, dat tot nu toe industrieel uit aardolie werd gewonnen. In een eerste stap wordt fenol omgezet in cyclohexanol, dat vervolgens wordt omgezet in adipinezuur. Dit energie-intensieve proces vereist hoge temperaturen, hoge gasdruk en een grote hoeveelheid organische oplosmiddelen. Daarbij komt ook veel lachgas en koolstofdioxide vrij.
De onderzoekers hebben nu een proces ontwikkeld waarmee ze fenol via een elektrochemisch proces kunnen omzetten in cyclohexanol. "De chemische transformatie erachter is dezelfde als bij de gevestigde processen. Elektrochemische synthese vervangt echter het waterstofgas door elektrische energie die plaatsvindt in een waterige oplossing en alleen omgevingsdruk en -temperatuur vereist", zegt Harnisch.
Om deze reactie zo snel en efficiënt mogelijk te laten verlopen, is een geschikte katalysator nodig. Dit zou de opbrengst van elektronen die nodig zijn voor de reactie en de efficiëntie van de omzetting van fenol in cyclohexanol maximaliseren.
In laboratoriumexperimenten werden de beste opbrengsten (bijna 70% elektronen en iets meer dan 70% cyclohexanol) aangetoond met een op koolstof gebaseerde rhodiumkatalysator. "De relatief korte reactietijd, de efficiënte opbrengst en het effectieve gebruik van energie, evenals synergieën met het biologische systeem, maken dit proces aantrekkelijk voor een gecombineerde productie van adipinezuur", zegt dr. Micjel Chávez Morejón, UFZ-chemicus en eerste auteur van de studie.
Tweede stap
In eerder onderzoek ontdekten werkgroepen onder leiding van dr. Katja Bühler en dr. Bruno Bühler hoe de bacterie Pseudomonas taiwanensis cyclohexanol kan omzetten in adipinezuur. "Tot nu toe was het niet mogelijk geweest om fenol microbieel om te zetten in cyclohexanol. We hebben dit gat gedicht met de elektrochemische reactie", zegt Dr. Rohan Karande, die dit werk nu voortzet in samenwerking met de UFZ van de Universiteit van Leipzig.
De onderzoekers dichten een ander gat in de milieuvriendelijke productie van nylon door een alternatief te ontwikkelen voor fenol dat wordt geproduceerd uit fossiele grondstoffen. Hiervoor gebruikten ze monomeren zoals syringol, catechol en guaiacol, die allemaal worden geproduceerd als een afbraakproduct van lignine – een afvalproduct van de houtindustrie.
"Voor deze modelstoffen hebben we kunnen aantonen dat we ermee tot adipinezuur kunnen komen", zegt Harnisch. Rohan Karande vult aan: "Wereldwijd wordt zo’n 4,5 miljoen ton adipinezuur geproduceerd. Als we hiervoor afvalproducten uit de houtindustrie zouden gebruiken, zou dat een behoorlijk effect hebben op de wereldmarkt."
Opschalen
De resultaten zijn nog gebaseerd op laboratoriumtesten op milliliterschaal. De randvoorwaarden voor opschaling van het proces moeten de komende twee jaar worden gecreëerd. Deze technologieoverdracht vereist niet alleen een beter begrip van het hele proces, maar ook onder meer het gebruik van echte ligninemengsels in plaats van modelmengsels (zoals tot nu toe het geval was) en de verbetering van de elektrochemische reactoren.
Anderen lazen ook
