Overslaan cellulose aan kleine suikermoleculen
Een team van wetenschappers van het Max Planck Institute for Carbon Research (MPI-KoFo) in Mühlheim-sur-la-Ruhr heeft een nieuwe methode ontwikkeld waarmee cellulose relatief gemakkelijk kan worden afgebroken tot de bouwstenen, suikers. Dit zou de deur kunnen openen voor de productie van grondstoffen en biobrandstoffen uit biomassa afkomstig van hout of plantaardig afval, dus zonder concurrentie met voedingsmiddelen.
Cellulose, het meest voorkomende organische molecuul op aarde, is het hoofdbestanddeel van plantencellen. Omdat het bijzonder stabiel is, was het tot nu toe moeilijk voor de industrie om het in zijn elementaire componenten te splitsen. Een aanzienlijke hoeveelheid energie bleef dus ongebruikt.
Roberto Rinaldi, Regina Palkovits en Ferdi Schüth van MPI-KoFo zijn er nu in geslaagd om dit obstakel te overwinnen met behulp van een vaste zure katalysator en een ionisch medium. Het resulterende proces maakt het mogelijk lange celluloseketens selectief in kleine stukjes te splitsen in een kwestie van uren of minder. Daarnaast is een voordeel dat er weinig bijproducten ontstaan, waardoor de kans op complicaties na de behandeling kleiner wordt. De katalysator kan aan het einde van de reactie worden teruggewonnen en opnieuw worden gebruikt.
Eerst plaatsen de onderzoekers het cellulosemolecuul in een ionische oplossing. Het is een zout, vloeibaar bij kamertemperatuur, dat positief en negatief geladen elementen bevat. "Deze stap maakt de lange ketens van cellulose toegankelijk voor de volgende chemische reacties, en de cellulose wordt dus aangetast door vaste katalysatoren", legt F. Schüth uit.
Het MPI-KoFo-team heeft inmiddels bepaald welke eigenschappen een katalysator moet hebben om cellulose te klieven. Het materiaal moet zuur zijn, dat wil zeggen H + protonen kunnen geven. Het moet ook een groot oppervlak hebben en poriën van de juiste grootte, omdat de cellulose die is opgelost in de ionische oplossing erg viskeus is, wat het transport van de ketens naar de katalysator bemoeilijkt. "We hebben ontdekt dat de chemisch gemodificeerde hars bijzonder goed geschikt is voor het splitsen van de suikerbindingen van cellulose", vervolgt Ferdi Schüth.
Door toevoeging van water zinken de aldus verkorte suikerkettingen naar de bodem, zodat ze gemakkelijk van de oplossing te scheiden zijn. De onderzoekers filteren vervolgens de oplossing en winnen de katalysator terug. "Om uiteindelijk tot de kleinste bouwstenen van cellulose te komen, is een extra stap nodig via bijvoorbeeld het gebruik van enzymen." Deze snijden de korte ketens in geïsoleerde suikermoleculen. Dit proces van "afbraak" - van cellulose tot glucosemoleculen - wordt depolymerisatie genoemd.
De nieuwe methode maakt het onder meer mogelijk om zeer stabiele plantcomponenten te snijden, zoals microkristallijne cellulose of zelfs hout. "We kunnen dus zeggen dat dankzij deze methode het ontmantelen van hout tot suikers mogelijk is", zegt F. Schüth.
Deze cellulosebehandeling opent vele toepassingsmogelijkheden. De aldus verkregen suikermoleculen konden worden onderworpen aan alcoholische fermentatie en de ethanol die vervolgens werd geproduceerd als biobrandstof, zonder te concurreren met voedingsproducten. Stukjes hout of stro zouden als basismateriaal kunnen worden gebruikt. Er moet echter nog veel ontwikkelingswerk worden verricht voordat deze methode op grote schaal wordt toegepast. Met name ionische oplossingen zijn erg duur, wat hergebruik in de productiecyclus en daarom de ontwikkeling van een recyclingaanpak noodzakelijk maakt.
Ferdi Schüth - Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mühlheim an der Ruhr - tel: +49 208 - e-mail: schueth@mpi-muehlheim.mpg.de
Bron: BE Duitsland