LEGO uit CO2 en planten

Met vier onderzoeksprojecten, onder andere in samenwerking met LEGO, maakt de nieuwe UvA onderzoeksgroep Industrial Sustainable Chemistry (ISC) een vliegende start. De groep is onderdeel van het universitaire onderzoekszwaartepunt ‘Sustainable Chemistry’ en richt zich op de overgang naar een circulaire economie met materialen uit hernieuwbare grondstoffen, ter vervanging van materialen uit fossiele bronnen zoals aardolie.

De ontwikkeling van een plastic uit biomassa en CO2 voor LEGO onderstreept de ambitie van de nieuwe onderzoeksgroep, gevestigd bij het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences van de UvA. “Plastics uit biomassa zijn in principe CO2-neutraal”, zegt groepsleider prof.dr. Gert-Jan Gruter. “Maar ze hebben meer voordelen. Als je van andere grondstoffen uitgaat dan olie, zoals suikers, kun je hele nieuwe materialen ontwikkelen, met bijzondere eigenschappen.” Toch is het vooral de duurzaamheid die hun ontwikkeling urgent maakt: “We moeten echt vandaag aan de slag om de nieuwe, duurzame materialen te ontwikkelen die we in 2050 nodig hebben. Het kost veel tijd om materialen en processen tot industriële wasdom te brengen.”

De ISC groep is nauw gelieerd aan het bedrijf Avantium, gespecialiseerd in duurzame chemie. Het werd bekend door de succesvolle ontwikkeling van het duurzame plastic PEF uit natuurlijke suikers, als alternatief voor de PET fles. Avantium vestigde vorig jaar twee onderzoeksgroepen op het Amsterdam Science Park in gebouw Matrix VI. Gruter is Chief Technology Officer bij Avantium en voor één dag in de week bijzonder hoogleraar aan het Van ’t Hoff Institute for Molecular Sciences van de UvA. Zijn ISC groep gaat van start met twee grote en twee kleinere onderzoeksprojecten waarvoor inmiddels de eerste promovendi zijn begonnen. Gruter verwacht binnen een aantal maanden tien promovendi aan het werk te hebben.

‘Groene’ LEGO blokjes

Het plastic voor LEGO is onderdeel van het project Novel Rigid Bio-based Polyesters for potential large scale applications, kortweg RIBIPOL. Dit ontving steun uit het Innovatiefonds Chemie van NWO voor het aanstellen van vijf promovendi. LEGO en Avantium dragen er ook aan bij, zowel financieel als in natura. Het doel van het project is om tot nieuwe biobased polyesters te komen, gemaakt uit commercieel beschikbare bouwstenen en geschikt voor grootschalige toepassingen. Samen met Avantium en speelgoedfabrikant LEGO hoopt de groep zo ‘groene’ materialen te ontwikkelen voor de productie van vezels, verpakkingen en de iconische bouwsteentjes.

Het idee is om de polyesters te maken via de polymerisatie van monomere bouwstenen afkomstig uit suikers (uit planten) en oxaalzuur (uit CO2). Dit sluit aan bij technologie die Avantium heeft ontwikkeld voor het isoleren van suikers uit ‘tweede-generatie’ biomassa: natuurlijke materialen die niet met de voedselvoorziening concurreren, zoals houtsnippers, zaagsel en agrarische restproducten.

Het tweede belangrijke ingrediënt, oxaalzuur, is een tamelijk gewone chemische grondstof. Maar, zo stelt Gruter, oxaalzuur is ook uit CO2 te produceren. Avantium beschikt over patenten om dat met behulp van elektriciteit voor elkaar te krijgen. Het bedrijf ontwikkelt die technologie in een groot Europees onderzoeksproject Ocean: Oxalic acid from CO2 using Electrochemistry At demonstratioN scale. Daarvan gaat financiering voor twee promovendi naar de UvA. Gruter: “Ons idee is om grootschalig oxaalzuur te maken uit kooldioxide met behulp van duurzame elektriciteit. Dan maak je van oxaalzuur dus een groene chemische grondstof. Maar omdat het nu ook al gewoon te koop is werken we alvast aan manieren om er producten van te maken. Stevig plastic voor verwerking via spuitgieten, zoals bij de LEGO steentjes, maar ook nieuwe kunststofvezels, flessen en verpakkingsfolie.”

In de laboratoria van HIMS en Avantium zal de synthese en karakterisering van de nieuwe monomeren en polymeren plaatsvinden. “De HIMS expertise op het gebied van katalyse en polymeeranalyse is daarbij van groot belang”, aldus Gruter. Hij werkt daarvoor samen met respectievelijk dr. Raveendran Shiju en prof. Peter Schoenmakers. Een belangrijk aspect van de materiaalontwikkeling is om polymeren met de juiste ketenlengtes (moleculair gewicht) en eigenschappen te synthetiseren. Deze eigenschappen zijn verder te optimaliseren door het gebruik van zogenaamde co-monomeren, uiteraard ook van natuurlijke origine.

Afbreekbaarheid onderzoeken

Gruter benadrukt bij het onderzoek voortdurend de potentiële toepassingen in het oog te houden. “We willen dat de nieuwe materialen op grote schaal toepassing vinden. Dat lukt alleen als ze op basis van prijs en performance kunnen concurreren met bestaande fossiele producten.” Hij wil ook kijken naar de afbreekbaarheid van de materialen op lange termijn, aangezien de plastics – afhankelijk van de toepassing – in de natuur terecht kunnen komen. Dat gaat hij doen samen met dr. John Parsons en dr. Albert Tietema van de vakgroep Ecosystem & Landscape Dynamics bij het Institute for Biodiversity and Ecosystem Dynamics (IBED) van de UvA.

“Plastics in de natuur, vooral microplastics in zeewater, vormen een steeds groter wordend probleem”, erkent Gruter. “Als je nieuwe materialen ontwikkelt moet je ook leren van de problemen die de huidige materialen, onbedoeld, veroorzaken.” Hij is daarom in samenwerking met dr. Heather Leslie van de Vrije Universiteit een project gestart waarbij een promovendus een methode gaat ontwikkelen om PET microvezels in zeewater en sediment te kunnen kwantificeren. Gruter: “Daar is op dit moment geen eenvoudige methode voor beschikbaar. Maar als we niets kunnen zeggen over hoeveelheden microplastic in onze oceanen is vervolgonderzoek, bijvoorbeeld naar de effecten op de voedselketen, lastig te verantwoorden.” Ook voor dit project komen de financiële middelen van NWO en Avantium.

Communiceren met consumenten

Bijzonder is ten slotte dat Gruter inzicht wil krijgen in de manier waarop consumenten de nieuwe materialen en hun duurzaamheidsaspecten zullen waarderen. Gruter: “Om de transitie naar CO2-neutrale materialen te versnellen is het van groot belang dat er een vraag ontstaat vanuit de markt. Daarom willen we ook weten hoe je met consumenten moet communiceren om ze voor meer duurzame plastics te interesseren.” Dit onderzoek vindt plaats in samenwerking met dr. Frenk van Harreveld, sociaal psycholoog bij de UvA faculteit der Maatschappij- en Gedragswetenschappen, en met prof. Bas Haring, hoogleraar Publiek begrip van Wetenschap aan de Universiteit Leiden.