Een eenstapsmethode maakt schaalbare en milieuvriendelijkere productie van plantaardige kunststofmonomeren mogelijk, de weg vrijmaken voor massaproductie van een duurzaam alternatief voor op aardolie gebaseerde materialen.

Een internationaal team, waaronder Kiyotaka Nakajima van Hokkaido University, Japan, en Emiel Hensen van de Technische Universiteit Eindhoven, Nederland, heeft een energiezuinige methode ontwikkeld om bioplastic ingrediënten te synthetiseren. De nieuwe technologie zal bijdragen aan het realiseren van duurzame 'groene producten', zoals volledig biobased drankflessen. Dit onderzoek is samen met Mitsubishi Chemical Corporation uitgevoerd en de bevindingen zijn gepubliceerd in: ACS Katalyse .

Biobased plastics zijn in opkomst als een materiaal van de volgende generatie en zullen naar verwachting de van aardolie afgeleide kunststoffen vervangen. Een plantaardig polyester, genaamd polyethyleenfuranoaat (PEF), is een veelbelovend polymeer op basis van 100% hernieuwbare energie, afgeleid van planten die de reus van de plasticindustrie kan vervangen, polyethyleentereftalaat (PET), vanwege zijn betere fysieke, mechanische en thermische eigenschappen. Echter, het realiseren van grootschalige PEF-productie wordt ernstig belemmerd door een inefficiënte productie van de monomeren.

Aerobe oxidatie van een van biomassa afgeleid substraat genaamd HMF in methanol en ethyleenglycol produceert monomeren genaamd MFDC en HEFDC, respectievelijk. Ze worden erkend als cruciale monomeren bij de vervaardiging van PEF, omdat polymerisatie van MFDC met ethyleenglycol of zelfcondensatie van HEFDC hoogwaardige PEF kan opleveren (Figuur 1).

Echter, MFDC-productie is tot nu toe uitsluitend bestudeerd voor verdunde HMF-oplossingen, en meer wenselijke routes voor de productie van HEFDC zijn momenteel onpraktisch omdat een hoge opbrengst van het monomeer niet efficiënt kan worden geproduceerd. Deze beperking kan worden toegeschreven aan de zeer reactieve formyl (-CHO) groepen in HMF, die betrokken zijn bij zware nevenreacties, vooral in geconcentreerde oplossingen:chemische transformatie in geconcentreerde HMF-oplossingen die gericht zijn op grootschalige productie van basischemicaliën gaat gepaard met de vorming van enorme hoeveelheden vaste bijproducten.

Nakajima, Hensen, en hun collega's ontwikkelden eerder een stabielere verbinding genaamd HMF-acetaal (Figuur 1). Ze hebben nu het nut van HMF-acetaal onderzocht en ontdekten dat 80-95% HMF-acetaal in een geconcentreerde oplossing (10-20 gew.%) met succes kan worden omgezet in MFDC en HEFDC met een gouden nanodeeltjeskatalysator. De huidige resultaten vertegenwoordigen een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van de huidige stand van de techniek, het overwinnen van een inherente beperking van de HMF-oxidatie tot belangrijke monomeren voor de productie van biopolymeer. De onderzoekers merken op dat deze methode "minder reactiestappen heeft, en het gebruik van sterk geconcentreerde oplossingen zal minder energie vergen dan conventionele processen."

De onderzoekers verwachten dat de nieuwe techniek niet alleen de haalbaarheid van commerciële PEF-productie in de chemische industrie zal verbeteren, maar ook helpen bij het bevorderen van een meer alomtegenwoordig gebruik van bioplastics, evenals inzicht verschaffen voor de ontwikkeling van andere biogebaseerde chemische toepassingen van verschillende van biomassa afgeleide koolhydraten.