Catalytic Upcycling of α-Ketoglutaric Acid into Sustainable Nylon Materials

Promovendus/a: Louis-Thibault Opsommer

Promotor(en): Prof. dr. ir. Bert Sels

De chemische industrie is vandaag sterk afhankelijk van fossiele grondstoffen zoals steenkool, olie en aardgas voor de productie van chemicaliën (zoals brandstoffen en geneesmiddelen) en kunststoffen. Om duurzamere chemische processen te ontwikkelen, moet de industrie overschakelen op hernieuwbare koolstofbronnen, waaronder biomassa en kunststofafval. Bovendien moeten deze processen de milieu-impact verminderen en moeten de kunststoffen na gebruik worden gerecycleerd tot hun oorspronkelijke bouwstenen, die bij voorkeur niet toxisch zijn. Nylonmaterialen bijvoorbeeld, hoewel ze in kleinere hoeveelheden geproduceerd worden voor specifieke toepassingen in vergelijking met polyethyleen, zijn een van de belangrijkste bronnen van milieuvervuiling. Nylonafval komt namelijk terecht op stortplaatsen, of in zeeën, rivieren en oceanen vanwege de sterke amidebindingen die niet gemakkelijk te breken zijn.

Een van de mogelijke strategieën is de duale bioproces-katalysebenadering. Bacteriën en gisten zijn in staat om een breed scala aan complexe grondstoffen te gebruiken die aanwezig zijn in biomassa, biodiesel en kunststofafval. Deze micro-organismen fungeren vervolgens als cellulaire fabriekjes die een gewenst product maken. Dankzij recente ontwikkelingen op het gebied van fermentatietechnieken kunnen bio-industrieën nu grotere hoeveelheden produceren. Deze biogebaseerde producten, die vaak rijk zijn aan chemische functionaliteiten zoals zuurstof en stikstof, kunnen verder worden omgezet in gewenste bouwstenen en uiteindelijk in nieuwe materialen. Door gebruik te maken van eenvoudige katalysatoren zoals edelmetalen, reageren biogebaseerde componenten gemakkelijk met groene chemische reagentia om nieuwe producten te vormen. Deze producten kunnen worden omgezet in zuurstofrijke materialen met eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van hun fossiele tegenhangers. Bovendien zijn deze materialen beter geschikt voor recyclage of afbraak. Bijgevolg is deze duale bioproces-katalyse benadering een van de meest belovende routes in de zoektocht naar duurzame chemische productie.

In deze context heeft dit proefschrift zich gericht op het omzetten van moeilijk recycleerbaar polyethyleen kunststof in een nieuw, hoogwaardig nylonmateriaal dat gemakkelijker te recycleren is en betere eigenschappen vertoont. Polyethyleen is een van de meest voorkomende kunststoffen, maar de afbraak en recyclage ervan blijft een uitdaging. Onze aanpak omvatte zowel biologie als chemie: In eerste instantie werd polyethyleen afval chemisch afgebroken tot een complex oliemengsel. Vervolgens groeide een nogal ongebruikelijke gist, genaamd Yarrowia lipolytica, uitzonderlijk goed op deze olie en produceerde een waardevolle biochemische stof, α-ketoglutaarzuur. Vervolgens werd deze biochemische stof met behulp van katalysatoren omgezet tot een bruikbare bouwsteen voor de productie van nieuw nylonmateriaal. In vergelijking met traditionele nylon op basis van fossiele grondstoffen is dit nieuwe nylon niet alleen gemakkelijker te recycleren via een eenvoudig proces, maar heeft het ook een beter verwerkingsbereik, waardoor het gemakkelijker te produceren is. Dit proefschrift toont in het algemeen een veelbelovende manier om kunststofafval om te zetten in nuttige, duurzame en hoogwaardige materialen, en draagt zo bij tot een groenere toekomst voor de chemische industrie.