Hoe maken we in de toekomst nog medicijnen, bouwmaterialen, textiel of verpakkingsmaterialen als we geen fossiele grondstoffen meer gebruiken? Er bestaan al veel alternatieven, maar die kunnen vaak nog niet gebruikt worden. Gelukkig kunnen slimme computerprogramma’s ons helpen.
Sommigen vinden het een ontspannende bezigheid, maar de meesten kijken er vooral tegenop: net gewassen sokken sorteren. Los van het feit dat er vaak op raadselachtige wijze sokken verdwijnen, moet je die ook nog sorteren. Toegegeven, er zijn mensen die hun sokken los in een mand bewaren, maar of je nu je sokken per maat, per kleur of per paar wil sorteren, het vraagt toch altijd wat puzzelwerk.
Maar goed, voor ik je op het verkeerde been zet, we hebben (nog) geen methode ontwikkeld om sneller sokken te sorteren. We zoeken wel uit hoe je moleculen efficiënt kan sorteren, die net zoals sokken die uit de was komen, allemaal in een grote mix uit de ‘synthesetrommel’ komen.
Hernieuwbare grondstoffen in de plaats van fossiele grondstoffen
Er worden talloze producten gemaakt van fossiele grondstoffen. Ik denk dat we soms vergeten over hoeveel producten dat gaat. Alleen al hier op mijn bureau zijn er tal van producten die (deels) gemaakt zijn op basis van fossiele grondstoffen: mijn drinkbus, mijn toetsenbord, scherm en pc, het omhulsel en de inkt van mijn balpen, de beschermende coating op de houten deur, maar ook de polyester en elastaan in mijn kleren of de paracetamol die ik net aan een collega gaf …
Als we af willen van fossiele grondstoffen, maar die producten wel nog willen produceren, moeten we alternatieven inzetten. Wetenschappers ontwikkelden al veel methoden om uit andere grondstoffen chemicaliën te verkrijgen, die op hun beurt gebruikt kunnen worden voor de productie van al die verschillende producten. Veel collega wetenschappers, waaronder mijn medeonderzoekers bij de onderzoeksgroep INKAT, zetten dat onderzoek vandaag trouwens nog steeds verder.
Moleculen gemaakt van hernieuwbare grondstoffen kunnen, afhankelijk van hun zuiverheidsgraad, gebruikt worden voor de vele toepassingen waarvoor we vandaag nog van fossiele grondstoffen vertrekken. Daar knelt voorlopig nog het schoentje, we kunnen al veel bruikbare moleculen maken uit bijvoorbeeld biomassa, maar als we de moleculen niet voldoende zuiver krijgen, hebben we daar eigenlijk niets aan.
Van sokken tot medicijnen
Net zoals je mensen hebt die liever sokken in de juiste paren dragen en anderen het voldoende vinden om überhaupt twee sokken aan te hebben, hebben verschillende industrieën andere zuiverheidseisen voor hun (start)producten. Om medicijnen te maken is het vaak cruciaal dat de producten heel zuiver zijn, terwijl voor bouwmaterialen iets minder zuivere producten ook goed zijn.
Hoe minder onzuiverheden er nog in een product zitten, hoe moeilijker het is om die laatste onzuiverheden te verwijderen. Daarom is een product dat 99% zuiver is veel goedkoper dan een product dat 99,99% zuiver is. Bijgevolg wordt de opzuivering afgesteld op de toepassing waarvoor de chemicaliën gebruikt zullen worden. Het is dus belangrijk om goed te weten hoe je producten van elkaar kan isoleren op een efficiënte en goedkope manier.
Net als magneten trekken moleculen elkaar aan of stoten elkaar af
Aan de hand van verfijnde programma’s simuleren we hoe moleculen met elkaar interageren. Net zoals twee lange sokken in elkaar verstrengeld kunnen geraken en ander duo sokken in twee uiteinden van de wasmand belandt, kunnen moleculen tot elkaar aangetrokken worden of elkaar net afstoten. De computer kan de graad van die aantrekking of afstoting berekenen. Aan de hand van die info kan je voorspellen hoe (gemakkelijk) je de verschillende types moleculen kan scheiden van elkaar.
Eerst bepalen we de optimale structuren van de moleculen: hoe ver staan atomen van elkaar en hoe zijn die atomen binnen het molecule georiënteerd. Die berekeningen vertrekken van basiswetten van de natuurkunde, zonder bijkomende veronderstellingen te doen. Doordat de structuren van de moleculen gekend zijn, kunnen we met verdere berekeningen bekijken hoe die moleculen als het ware als magneten aan elkaar zouden kleven of elkaar net afstoten.
Aan de hand van die berekeningen kunnen we snel veel data verzamelen die nodig zijn om goede simulaties uit te werken voor scheidingsprocessen. We hebben de berekeningen vergeleken met experimentele data, om zeker te zijn dat ze even betrouwbaar zijn. En goed nieuws, de berekeningen leverden betrouwbare data op, ze komen heel goed overeen met de experimentele data.
Video onder. Labo-experiment om de simulaties te verifiëren, en ja, de meeste producten waar we nu mee werken zijn transparant of net donkerbruin. Geloof dus niet zomaar de reclame dat chemie met veel kleurrijke producten werken is.
Met een computer in plaats van in het labo
Er bestaan veel handige modellen die op basis van experimentele data simuleren hoe mengsels van moleculen gescheiden en opgezuiverd kunnen worden. Die modellen werden ontwikkeld om te achterhalen hoe de verschillende producten uit fossiele grondstoffen te isoleren, zodat ze klaar zijn voor verdere verwerking.
Je vraagt je misschien af waarom die modellen niet ook gebruikt worden voor bio-gebaseerde producten. Wel, voor veel van die producten zijn er nog helemaal geen experimentele data opgemeten dus hier tasten onderzoekers in het duister. Het duurt ook lang en is duur om experimenteel voldoende data te verzamelen. Door onze berekende data te gebruiken voor die modellen, kunnen we veel sneller betrouwbare scheidingsmethoden ontwikkelen.
Voor de ontwikkeling van die scheidingsmethoden (wij noemen dat een scheidingstrein) wordt er gekeken hoe bijvoorbeeld door achtereenvolgens een destillatie, extractie en nog een destillatie uit te voeren, verschillende producten van elkaar gescheiden kunnen worden. Door die achtereenvolgende scheidingen goed uit te werken, kan de zuiverheidsgraad van de moleculen aangepast worden aan hun beoogde toepassingen.
Zo zullen we vertrekkende van hernieuwbare grondstoffen de nodige en voldoende zuivere moleculen kunnen verkrijgen om producten als polyesters en elastaan te produceren, die op hun beurt gebruikt kunnen worden om kleren te maken. Als we dan ook detergenten kunnen maken van die hernieuwbare grondstoffen kunnen we niet alleen op een meer duurzame manier sokken maken, maar kunnen we ze ook nog wassen en nadien sorteren uiteraard.
