Bacteriën kunnen groenafval omzetten in een chemische basisstof voor verf en rubber. Die stof zuiver krijgen is echter enorme uitdaging. Sponsen met poriën op nanoschaal bieden een oplossing.
Het hoesje van je smartphone. De verpakking van voedsel in de supermarkt. De verf op je muur. Wat veel mensen niet weten, is dat slechts 20 moleculen dienen als basis voor al deze producten gemaakt van kunststoffen. Momenteel worden al deze 20 basismoleculen gemaakt van aardolie of aardgas, wat een enorme milieu-impact heeft.
Het kan echter ook anders: wetenschappers ontdekten bacteriën die afval uit de landbouw- of voedingsindustrie, of zelfs uit de gft-container, kunnen omzetten in zo’n basismoleculen. Een van die stoffen is biobutanol, een alcohol dat gebruikt wordt om rubber te maken, of dient als oplosmiddel voor verf. De bacterie die biobutanol produceert, groeit op suikers aanwezig in houtafval, stro of hooi. Deze suikers worden vrijgemaakt door het afval te vermalen en te koken, waardoor een soepje ontstaat waarin de bacteriën kunnen groeien en volop biobutanol maken.
Dronken bacteriën remmen productie
Helaas vallen de bacteriën na een tijdje stil. Het biobutanol vergiftigt ze, net zoals wij schade ondervinden van een glaasje alcohol te veel. Daarnaast is het resulterende soepje van afval, bacteriën en biobutanol enorm verdund, wat van het klassieke zuiveringsproces een echte energievreter maakt.
We ontwikkelden een nieuwe zuiveringstechnologie, die gebruikt maakt van materialen met ultrafijne poriën
Daarom ontwikkelden we een nieuwe zuiveringstechnologie, die gebruikt maakt van materialen met ultrafijne poriën, ongeveer 100 000 keer kleiner dan een menselijk haar. Deze materialen of adsorbenten gedragen zich als een spons: ze zijn in staat om zeer selectief moleculen uit ongelooflijk complexe mengsels op te slorpen. We waren in staat om twee adsorbenten te identificeren die biobutanol rechtstreeks uit de soep opslorpen en een ander adsorbent dat biobutanol kan verwijderen uit de dampen boven de soep. We toonden ook aan dat we het biobutanol weer uit de poriën kunnen halen, maar dat proces kan nog verder verbeterd worden.
Speuren naar een spons
Eerst slaagden we erin om twee adsorbenten te identificeren om het biobutanol rechtstreeks uit de soep van afval en bacteriën te verwijderen. Verre van evident. Er bestaan meer dan 10 000 soorten “sponsen”, met elk hun specifiek netwerk van poriën en chemische eigenschappen. Wij beperkten ons tot een 30-tal, die door gespecialiseerde bedrijven op grote schaal geproduceerd worden. De criteria voor een goed adsorbent zijn streng: het moet biobutanol opslorpen, maar andere onzuiverheden die in het soepje zitten niet. Water is de grote vijand in deze zuivering: het water in de soep moet zoveel mogelijk uit de poriën van het adsorbent blijven, om zoveel mogelijk biobutanol te kunnen opslorpen. Om goede materialen te identificeren, maakten we in het labo synthetische mengsels met biobutanol, water en andere onzuiverheden aanwezig in de finale soep. Hierna brachten we de adsorbenten in contact met deze mengsels, door ze samen te brengen in een klein glazen flesje. Langzaam neemt het adsorbent op deze manier het biobutanol op uit het mengsel. Hierdoor daalt de hoeveelheid biobutanol in het mengsel, wat we kunnen meten. Zo konden we de sponsen die het meeste biobutanol opslorpen identificeren.
Er bestaan meer dan 10 000 soorten “sponsen”, met elk hun specifiek netwerk van poriën en chemische eigenschappen
We ontdekten echter ook een adsorbent, ontwikkeld door collega’s uit Valencia, dat biobutanol kan verwijderen uit de dampen boven de soep van bacteriën en afval. Net zoals gist zorgt voor een bruisende pint, produceren de bacteriën in ons proces heel wat gas. En daar kunnen we van profiteren! Het biobutanol borrelt samen met het gas uit de vloeistof en zit dus niet meer tussen bacteriën en afval. We kunnen het zo makkelijker zuiveren. Bovendien bleek dat adsorbenten die goed werken om biobutanol uit het vloeibare mengsel te halen, slechter in staat zijn om biobutanol uit de dampen te halen. In de damp zit immers ook veel water en dat nestelt zich beter in de poriën. De poreuze sponsen die je in dit geval gebruikt moeten dus nog waterafstotender zijn.
Regeneratie, kan nog efficiënter?
Het biobutanol verdampt weer uit de poriën als we onze adsorbenten opwarmen, we kunnen het biobutanol dus opvangen en de sponsen hergebruiken. Maar er is nog werk aan de winkel. Er zijn veel variabelen om mee te spelen: hoe hoog moet de temperatuur worden? Hoelang moeten we de spons opwarmen? Bovendien is het laatste biobutanol dat achterblijft in de poriën, het moeilijkst te verwijderen. Misschien is het efficiënter om dat te laten zitten? Dat zijn vragen die nog beantwoord moeten worden, maar noodzakelijk zijn om naar een zuivering op grotere schaal te gaan. En hopelijk kunnen we zo binnenkort onze slaapkamer verven met “groen” butanol!
Benjamin Claessens is genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup. Ontdek meer over zijn onderzoek op www.phdcup.be.
