Voorbij recycling
Voor een circulaire economie voor kunststoffen, zijn recycling en hergebruik van kunststoffen uiteraard een belangrijk doel. Maar ander even belangrijk element is biologisch afbreekbaar plastic.
"Voor echte circulariteit hebben we een materiaaltransitie nodig. Zelfs in een zeer efficiënt recyclingsysteem gaat er onvermijdelijk wat materiaal verloren tijdens het sorteren, verwerken en herfabriceren," legt Prof. Dr. Frederik Wurm uit. Hij is hoogleraar aan de onderzoeksgroep Sustainable Polymer Chemistry (SPC) van de Universiteit Twente. "Dit 'weglekken' van materiaal betekent dat een bepaalde hoeveelheid plastic wordt weggegooid of onbruikbaar wordt, wat de efficiëntie van het recyclingsysteem vermindert. Recycling is belangrijk, maar is geen complete oplossing. Biologische afbraak kan onze bescherming zijn."
Biologische afbreekbare polymeren voor milieuvriendelijke landbouw
"Biologisch afbreekbare en 'bio-based' materialen zijn de afgelopen jaren de focus geweest van onze onderzoeksgroep. We willen een duurzame levenscyclus van polymeren bereiken, waarbij de materialen aan het einde van hun levensduur veilig worden afgebroken en alleen niet-giftige bijproducten in het milieu achterblijven. In ons onderzoek kijken we naar grondstoffen op biologische basis en vermijden we giftige chemicaliën om polymeren te ontwikkelen die van begin tot eind milieuvriendelijk zijn," vertelt Wurm.
Het gebruik van biologisch afbreekbare polymeren omvat vele verschillende praktische toepassingen, waarbij landbouw een belangrijk aandachtspunt is van de SPC-onderzoeksgroep. Hun spin-off bedrijf, Ligni Labs, maakt biologisch afbreekbare microdragers om de vervuiling door microplastic in de landbouw te verminderen.
Zo worden pesticiden, fungiciden en herbiciden vaak ingekapseld in microcapsules van niet-afbreekbare polymeren. Deze niet-afbreekbare microplastics hopen zich op in verschillende plekken, waaronder in water, de grond, neerslag en zelfs in de lucht. Het gebruik van biologisch afbreekbare alternatieven die snel afbreken in het milieu is een haalbare oplossing om de persistentie van microplastics te verminderen.
De toekomst van biologisch afbreekbare polymeren in de geneeskunde
Biologisch afbreekbare polymeren hebben ook belangrijke toepassingen in de medische wereld. "We hebben een speciale groep van in water oplosbare polymeren onderzocht die bekend staan als polyfosoesters. Deze polymeren hydrolyseren met verschillende snelheden, van minuten tot jaren. Dat is veelbelovend voor het toedienen van medicijnen. Ze kunnen bijvoorbeeld snel medicijnen direct in een tumor afgeven. Bij weefseltechnologie kunnen deze polymeren geleidelijk botweefsel opbouwen. Aangezien bot bestaat uit fosfaatmineralen, bieden fosforhoudende polymeren een natuurlijke, compatibele omgeving voor botregeneratie," zegt Wurm.
"Wij geloven dat deze nichepolymeren algemeen gebruikte bioplastics kunnen worden." Wurm voegt eraan toe dat (bio)afbreekbare polyfosfoesters een grote potentie hebben dankzij hun nauwkeurige moleculaire controle over de afbraaksnelheid. Bij de synthese worden echter vaak giftige chemicaliën gebruikt en de koolstofvoetafdruk is groter. De SPC onderzoeksgroep onderzoekt manieren om de milieu-impact van het productieproces te minimaliseren door middel van chemische recycling.
Complexe uitdagingen
Biologisch afbreekbare polymeren zijn ontworpen om op natuurlijke wijze af te breken, maar hun afbraaksnelheid varieert afhankelijk van factoren zoals vochtigheid, temperatuur en de aanwezigheid van micro-organismen. Polymelkzuur bijvoorbeeld, een van de populairste biologisch afbreekbare materialen, is in principe niet afbreekbaar in zeewater.
"De oceaan is koud, de pH-waarde is niet zuur en er zijn niet zoveel micro-organismen als in aarde of compost. Hoe kan een plastic fles dan afbreken in de oceaan? Het is onwaarschijnlijk dat er een polymeer bestaat dat in elk ecosysteem snel kan worden afgebroken," legt Wurm uit.
Een bijkomend probleem voor wetenschappers is dat deze polymeren snel moeten afbreken en toch hun beoogde functies moeten uitvoeren. Verschillende producten vereisen specifieke materialen om hun doel effectief te dienen. Waterflessen bijvoorbeeld moeten vloeistoffen veilig bewaren, compostzakken moeten snel afbreken in een composthoop, terwijl materialen voor vliegtuigen en auto's veiligheid en duurzaamheid moeten bieden.
Vooruitkijken
"Biologisch afbreekbare polymeren zijn mogelijk de kunststoffen van de toekomst, vooral voor toepassingen waarbij afbreekbaarheid een deel van de functie is, zoals in de landbouw en de toediening van medicijnen in de geneeskunde," zegt Wurm.
Hij is voorstander van gestandaardiseerde regels voor het definiëren en labelen van biologisch afbreekbare kunststoffen. Dat voorkomt misleidende claims over milieuvoordelen en verwarring bij consumenten over de ware aard van deze materialen. Met duidelijke normen kunnen consumenten gemakkelijker echt milieuvriendelijke producten herkennen.
Als onderdeel van hun inzet voor groene chemie onderzoekt de SPC onderzoeksgroep de synthesemethoden voor polymeren, met als doel het gebruik van traditionele, mogelijk giftige oplosmiddelen en katalysatoren te verminderen. "We willen af van schadelijke chemicaliën en tussenproducten. Het is een uitdagende verschuiving omdat veel reactieve verbindingen die in chemische processen worden gebruikt giftig kunnen zijn, maar we onderzoeken veiligere alternatieven."
