Katalytische strategieën voor oxidatieve valorisatie van aminozuren

Jasper
Verduyckt

Een schakel in het sluiten van de stikstofkringloop

De mestproblematiek in Vlaanderen is alom bekend. Stikstof (N) komt op de velden terecht via onder andere ammonium in kunstmeststoffen en wordt slechts gedeeltelijk opgenomen door de gewassen, die N inbouwen in eiwitten. De overige fractie wordt uitgespoeld naar het oppervlakte- en grondwater, waardoor de milieukwaliteit wordt aangetast. Daarnaast kan je je afvragen of we de opgenomen N in gewassen ook effectief volledig consumeren. Het antwoord is neen, helemaal niet. Een groot deel komt terecht in eiwitrijke afvalstromen die ontstaan bij de verwerking van gewassen zoals tarwe, maïs en suikerbieten. De efficiëntie van het N-gebruik laat dus te wensen over en de vraag rijst hoe we efficiënter kunnen omspringen met de gefixeerde N. Deze vraag wordt nog pertinenter wanneer we inzien dat het fixeren van N - stikstofgas omzetten naar ammoniak - veel energie vergt. De energie die jaarlijks nodig is voor de productie van zo’n 131 miljoen ton ammoniak bedraagt namelijk ongeveer 1% van het wereldenergieverbruik.

RECYCLAGE VAN EIWITRIJKE AFVALSTROMEN

In de thesis ‘Katalytische strategieën voor oxidatieve valorisatie van aminozuren’ wordt voorgesteld om de N-kringloop beter te sluiten door de N uit eiwitrijke afvalstromen te recupereren; aminozuren zijn namelijk de natuurlijke bouwblokjes van eiwitten (figuur 1). Eiwitrijke afvalstromen, met een gemiddeld eiwitgehalte variërend tussen 20 en 40%, ontstaan onder andere bij de verwerking van landbouwproducten tot levensmiddelen of biobrandstoffen. Typische voorbeelden zijn collageen, gelatine en keratine - aanwezig in slachtafval - en tarwegluten, een nevenstroom bij de productie van glutenvrij zetmeel. De splitsing van eiwitten tot aminozuren, gevolgd door de omzetting van aminozuren tot chemische bouwstenen, is een aantrekkelijke piste om deze afvalstromen te recycleren. Deze ‘bio-based building blocks’ hebben het potentieel om courante chemicaliën afkomstig van fossiele, niet-hernieuwbare grondstoffen te vervangen bij de productie van nylons en andere belangrijke plastics, alsook van ingrediënten ter bereiding van geneesmiddelen. Alternatieve grondstoffen bieden het bijkomende voordeel dat zelfs nieuwe bouwblokjes toegankelijk worden, die kunnen leiden tot nylons en plastics met andere, verbeterde eigenschappen. Stel je maar eens een motorkast voor die minder snel wordt aangetast door zout op de weg en zo z’n glans behoudt. Of nylonkousen die niet scheuren net voor je naar een feestje vertrekt. Daarnaast bieden nieuwe bouwstenen de mogelijkheid om alternatieve routes te ontwikkelen naar farmaceutische ingrediënten, waardoor minder afval gegenereerd wordt – 100 kg afval per kg product is momenteel geen uitzondering.

AMINOZUREN EN HET BEHOUD VAN STIKSTOF

De natuur kent twintig aminozuren die op moleculair niveau heel divers zijn, maar toch één gemeenschappelijk kenmerk vertonen: ze bezitten namelijk een zuurfunctie én een aminefunctie (figuur 2). Beide functionaliteiten zijn noodzakelijk om aminozuren aan elkaar te koppelen tot eiwitten – vergelijk het met een ketting aaneenschakelen. De complexiteit van aminozuren wordt eveneens bepaald door de chemische structuur van de zijketen. Bijgevolg beschikt een aminozuur vaak over te veel functionaliteiten om er rechtstreeks nuttige chemicaliën uit te produceren en is het aangewezen om selectief een functie te verwijderen. Wanneer de zuurfunctie geëlimineerd wordt, spreekt men van een decarboxylatie. Op die manier blijft de stikstofhoudende aminefunctie, die van nature aanwezig is in eiwitrijke afvalstromen, behouden in een waardevol eindproduct.

GROENE CHEMIE

Dit onderzoek behandelt voornamelijk de omzetting van aminozuren tot stikstofhoudende chemicaliën. Voor het eerst werd aangetoond dat aminozuren reageren met zuurstof ter vorming van een nitril – een stikstofhoudende chemische stof met een drievoudige binding tussen het koolstof- en het stikstofatoom (figuur 2). Hoewel de zuurfunctie hierbij verdwijnt als CO2, draagt dit niet bij tot het broeikaseffect, aangezien die CO2 afkomstig is van een hernieuwbaar molecule. De reactie tussen een aminozuur en zuurstof gebeurt evenwel niet spontaan, daarom moet een katalysator worden toegevoegd. Katalyse betekent in het Japans trouwens ‘huwelijksmakelaar’. In dit geval bestaat de katalysator uit ruthenium – een edelmetaal – dat is afgezet op een vast dragermateriaal. Aangezien een katalysator nooit wordt verbruikt in een reactie, is een kleine hoeveelheid ruthenium meestal voldoende. Bovendien kan een vast materiaal vlot worden afgescheiden uit de reactievloeistof, wat ook toelaat om het metaal meermaals te recycleren. Deze omzetting is echt een modelvoorbeeld op vlak van groene, duurzame chemie: toxische chemicaliën zijn afwezig, de reactie vindt plaats in water en naast CO2 wordt enkel water gevormd als nevenproduct. De hoeveelheid afval blijft met andere woorden uitermate beperkt. Bovendien vindt de reactie plaats bij lage zuurstofdruk en slechts 100 °C – zeer milde condities voor een chemisch proces. De opbrengsten van de producten lopen op tot 83%; figuur 2 geeft enkele resultaten weer.

COMPETITIE MET VOEDING?

Aminozuren zijn eveneens onmisbaar in het dierlijk/menselijk lichaam. De essentiële aminozuren, die we zelf niet via ons metabolisme kunnen aanmaken, worden exclusief via het voedsel opgenomen. Competitie met voeding is dus gedeeltelijk een terechte zorg. De focus ligt daarom enerzijds op eiwitrijke afvalstromen die niet langer geschikt zijn voor menselijke of dierlijke consumptie. Anderzijds worden in een ideaal scenario de eiwitten gesplitst en de onmisbare aminozuren toegepast als voedingsadditief, terwijl de andere worden aangewend als natuurlijke bron voor chemicaliën. De scheiding van de verschillende aminozuren blijft echter een grote uitdaging.

‘BIO-BASED BUILDING BLOCKS’ ALS SCHAKEL IN HET SLUITEN VAN DE N-KRINGLOOP

Bio-gebaseerde bouwstenen voor de synthese van onder andere nylons en plastics kunnen dus voortkomen uit de recyclage van eiwitrijke afvalstromen. De eiwitten worden na isolatie gesplitst in aminozuren. Deze worden op hun beurt via een katalysator omgezet tot stikstofhoudende chemicaliën zoals nitrillen, van waaruit een breed gamma aan industrieel relevante bouwstenen gesynthetiseerd kan worden. Deze strategie draagt bij aan de lange weg naar een duurzame chemische industrie voor de toekomst.

Bibliografie

Voor de bibliografie (14 pagina's) wordt verwezen naar het pdf-bestand.

Download scriptie (1.79 MB)
Universiteit of Hogeschool
KU Leuven
Thesis jaar
2014