Synthese van polymeren door middel van microalgen

In dit artikel zetten de partners van het ALPO-project ("Nieuwe polymeermaterialen van microalgen biomass") de vorderingen van hun onderzoek uiteen.

18 mrt. 2021

#

Microalgen worden niet alleen gebruikt als bron van voedingssupplementen, maar zijn ook veelbelovend voor de productie van bouwstenen voor de chemie en voor bio-gebaseerde materialen. De diversiteit aan microalgen maakt de productie mogelijk van diverse soorten monomeren die kunnen worden gebruikt bij de synthese van polymeren. De voordelen van microalgen blijven echter niet beperkt tot hun producten, maar gaan verder doordat zij een hoger productiviteit hebben dankzij hun efficiënte fotosynthese, hun tolerantie voor extreme omstandigheden. Bovendien concurreren ze niet met productie van voedsel in de landbouw (1).

Het vinden van de juiste monomeren is een van de eerste stappen bij de productie van polymeren die van biomassa zijn afgeleid. Het is echter van cruciaal belang rekening te houden met het polymerisatieproces zelf en de impact daarvan op het milieu. Zo zouden bepaalde oplosmiddelen, katalysatoren, bijproducten en reactieparameters kunnen worden bijgestuurd om de milieuvoetafdruk van de polymerisatiereacties te verkleinen en de eigenschappen van het uiteindelijke polymeer te optimaliseren.

Enzymen zijn de afgelopen jaren op grote schaal gebruikt bij verschillende polymerisatiereacties, vooral bij polycondensatie en ring-opening polymerisatie, en bieden veel voordelen ten opzichte van conventionele polymerisatiemethoden, vooral door hun selectiviteit, niet-toxische aard, recycleerbaarheid en de lage reactietemperatuur die zij vereisen (2).

In het werk van de projectpartners (3), werd Novozym 435, een geïmmobiliseerde biokatalysator van het type lipase B van de schimmel Candida antarctica, gebruikt voor het katalyseren van de polycondensatiereactie van 1,6-hexaandiol en diethyladipaat in bulk of in oplossing in difenylether. Met behulp van een op het ontwerp gebaseerde methodologie (figuur 1), een statistische techniek die de relaties tussen input- en outputvariabelen onderzoekt, werden factoren zoals temperatuur, enzymbelasting en temperatuur geëvalueerd. Uit de resultaten bleek hoe deze factoren de polymerisatiereactie en in het bijzonder de polymerisatiegraad verschillend beïnvloeden en hoe de polymerisatie kan worden gewijzigd in verschillende reactiemedia (massa vs. organisch oplosmiddel), waarbij het toegepaste vacuüm de meest invloedrijke factor op de polymeergrootte (d.w.z. aantal gemiddeld molecuulgewicht (Mn)) blijkt te zijn wanneer de reactie wordt uitgevoerd in difenylether. Daarentegen bleek de katalytische lading, d.w.z. de hoeveelheid ingebracht enzym, de meest invloedrijke parameter te zijn onder de massareactieomstandigheden (d.w.z. zonder oplosmiddel). Bovendien kon met de statistische modellen die in dit werk werden ontwikkeld het molecuulgewicht van de gesynthetiseerde polyesters worden voorspeld in functie van de parameters. Tenslotte kon het enzym tot drie opeenvolgende cycli worden gerecycleerd zonder noemenswaardig verlies van activiteit.

Referenties:

(1) Barkia, I.; Saari, N.; Manning, S. R. Microalgae for High-Value Products Towards Human Health and Nutrition. Mar Drugs 2019, 17 (5). https://doi.org/10.3390/md17050304.

(2) Douka, A.; Vouyiouka, S.; Papaspyridi, L.-M.; Papaspyrides, C. D. A Review on Enzymatic Polymerization to Produce Polycondensation Polymers: The Case of Aliphatic Polyesters, Polyamides and Polyesteramides. Progress in Polymer Science 2018, 79, 1–25. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2017.10.001.

(3) Nasr, K.; Meimoun, J.; Favrelle-Huret, A.; Winter, J. D.; Raquez, J.-M.; Zinck, P. Enzymatic Polycondensation of 1,6-Hexanediol and Diethyl Adipate: A Statistical Approach Predicting the Key-Parameters in Solution and in Bulk. Polymers 2020, 12 (9), 1907. https://doi.org/10.3390/polym12091907.