De schelpen van schaaldieren en houtafval zoals gesnoeide takken van bomen komen meestal op stortplaatsen terecht. Deze afvalstoffen krijgen een nieuw leven om voedingssupplementen en medicijnen te worden, met behulp van een nieuw proces ontwikkeld door onderzoekers van de National University of Singapore (NUS).

Een team onder leiding van universitair hoofddocent Yan Ning en universitair docent Zhou Kang van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen bedacht een methode om schelpen van garnalen en krabben om te zetten in L-DOPA, een veelgebruikt medicijn voor de behandeling van de ziekte van Parkinson. Een vergelijkbare methode kan worden gebruikt om houtafval om te zetten in Proline, wat essentieel is voor de vorming van gezond collageen en kraakbeen.

De conversiebenadering van het NUS-team kan mogelijk een cruciale rol spelen in de chemische industrie, aangezien de beweging van van afval afgeleide verbindingen in een stroomversnelling is geraakt om de afhankelijkheid van het gebruik van niet-hernieuwbare fossiele brandstoffen en energieverbruikende processen te verminderen.

Van afval tot nuttige chemicaliën

De wereldwijde voedselverwerkende industrie genereert jaarlijks maar liefst acht miljoen ton schaaldierafval. gelijktijdig, Singapore genereerde meer dan 438, 000 ton houtafval in 2019, waaronder takken gesnoeid van bomen en zaagsel uit werkplaatsen. Het afleiden van manieren om deze voedsel- en landbouwafvalmaterialen te upcyclen tot bruikbare verbindingen, zal voordelen opleveren zonder stortplaatsen te belasten.

Hoewel het hergebruik van afvalmaterialen de laatste jaren aan populariteit heeft gewonnen, de typische output van chemicaliën die worden geproduceerd uit afvalrecycling is vaak minder gediversifieerd dan de conventionele chemische synthesepijpleiding die ruwe olie of gas gebruikt. Om de beperkingen te overwinnen, de NUS-onderzoekers kwamen met een route die een chemische benadering combineert met een biologisch proces.

Ze pasten eerst chemische processen toe op de afvalstoffen en zetten deze om in een stof die door microben kan worden 'verteerd'. De tweede stap omvat een biologisch proces, vergelijkbaar met de fermentatie van druiven tot wijn, waar ze speciale bacteriestammen zoals Escherichia coli ontwikkelden om de stof die in het chemische proces werd geproduceerd om te zetten in een product met een hogere waarde, zoals aminozuren.

Het NUS-team heeft vier jaar nodig gehad om hun methode af te leiden, en toegepast om op een duurzame manier hoogwaardige chemicaliën uit hernieuwbare bronnen te verkrijgen.

Goedkoper en sneller organische chemicaliën produceren

conventioneel, L-DOPA wordt geproduceerd uit L-tyrosine, een chemische stof gemaakt van fermenterende suikers. Met de aanpak die is ontwikkeld door het NUS-team, schaaldierafval wordt eerst behandeld met een eenvoudige chemische stap, waardoor het door microben kan worden gebruikt om L-DOPA te produceren. De opbrengst van de NUS-methode is vergelijkbaar met die van de traditionele methode met suikers. In aanvulling, vergeleken met glucose, de meest gebruikte suiker, die tussen US $ 400 en US $ 600 per ton kost, Garnalenafval kost slechts ongeveer US $ 100 per ton. Gezien de lage kosten en de overvloed aan schelpafval, het proces van het NUS-team heeft het potentieel om L-DOPA tegen lagere kosten te leveren.

Proline, anderzijds, wordt conventioneel geproduceerd door middel van zuiver biologische processen. De unieke methode van het NUS-team heeft nu de meeste transformaties vervangen door chemische processen, die veel sneller zijn. Als resultaat, het nieuwe geïntegreerde proces zou een hogere productiviteit kunnen bereiken, en mogelijk leiden tot verlagingen van kapitaalinvesteringen en bedrijfskosten.

Het onderzoek naar de productie van aminozuren zoals L-DOPA uit schaaldieren werd voor het eerst online gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) op 25 maart 2020, terwijl het werk aan de productie van Proline uit houtafval werd gerapporteerd in Angewandte Chemie op 27 juli 2020.

"Chemische processen zijn snel en kunnen een verscheidenheid aan zware omstandigheden gebruiken, zoals extreme hitte of druk om een ​​grote verscheidenheid aan afvalstoffen af ​​te breken, aangezien er geen levend organisme bij betrokken is, maar ze kunnen alleen eenvoudige stoffen produceren. Anderzijds, biologische processen zijn veel langzamer, en vereisen zeer specifieke omstandigheden voor de microben om te gedijen, maar kunnen complexe stoffen produceren die meestal van hogere waarde zijn. Door zowel chemische als biologische processen te combineren, we kunnen van beide de vruchten plukken om hoogwaardige materialen te creëren, " legde Asst Prof Zhou uit.

Potentieel om andere soorten afval te upcyclen

De methodologie van het NUS-team kan worden toegepast op verschillende soorten afvalmaterialen, en ze kunnen het proces aanpassen, op basis van zowel het soort afval als het beoogde eindproduct.

Vooruit gaan, het team wil hun unieke proces aanpassen aan andere vormen van afval, zoals koolstofdioxide en oud papier. Een dergelijke ontwikkeling zou de afhankelijkheid van de samenleving van niet-hernieuwbare hulpbronnen verminderen voor het verwerven van chemicaliën die tegenwoordig belangrijke bestanddelen zijn van veel voedingssupplementen en medicijnen.

"Onze nieuwe chemisch-biologische geïntegreerde workflow biedt een algemeen pad om een ​​verscheidenheid aan hoogwaardige organostikstofchemicaliën te produceren. Hoewel het op papier misschien eenvoudig klinkt om twee verschillende methodologieën te combineren, de duivel is in de details. Aangezien deze chemicaliën worden aangetroffen in een groot aantal commercieel waardevolle geneesmiddelen, pigmenten en voedingsstoffen, we zijn verheugd om ons onderzoek uit te breiden en nieuwe methodologieën te ontwikkelen om chemicaliën met toegevoegde waarde te produceren uit andere overvloedige, lokaal beschikbare substraten gevonden in Singapore, " deelde Assoc Prof Yan.

Het onderzoeksteam is ook van plan om de processen die momenteel in hun laboratoria worden ontwikkeld, op te schalen, en om samen te werken met industriële partners om deze technologie te commercialiseren.