Al meer dan honderd jaar proberen chemici een stof in planten om te zetten tot nuttige bouwstenen, maar deze stof, lignine, laat zich niet gemakkelijk afbreken. Onderzoekers haalden inspiratie uit de natuur en hebben een efficiënte manier gevonden.
Lignine, een stof in de celwanden van planten, kan tot kleinere bouwstenen afgebroken worden. Dat is een grote wens: van de bouwstenen kan je duurzame materialen of biobrandstoffen maken. Al meer dan honderd jaar zoeken scheikundigen tevergeefs naar een manier om deze aantrekkelijke hernieuwbare grondstof zorgvuldig af te breken. Amerikaanse en Chinese onderzoekers hebben nu een eiwit in elkaar geknutseld dat dat kan. Hun onderzoek verscheen eerder deze maand in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications.
Plantenstengels zijn stevig door lignine. In de moleculaire bindingen ervan zit veel energie: bijna de helft van alle zonne-energie die planten opslaan, verwerken ze in lignine. Naar schatting produceren planten wereldwijd tot 3 miljard ton lignine per jaar. Zo is het na cellulose – eveneens een stof die planten verstevigt – de meest voorkomende koolstofrijke stof op aarde. Maar industrieën weten zich geen raad met de hernieuwbare grondstof en verbranden het om er een beetje energie uit te halen – met uitstoot van broeikasgassen tot gevolg.
Duurzame methode moet meer plastic recyclebaar maken
Scheikundige Ina Vollmer heeft een nieuwe, revolutionaire techniek ontwikkeld waarmee plastic kan worden gerecycled.
Het probleem is dat lignine op zichzelf onbruikbaar is. Net zoals ruwe aardolie moet je het voordat het als brandstof kan dienen eerst ‘kraken’: afbreken in kleinere stukjes en scheiden.
Grondstoffen
Een nog veelbelovendere toepassing van lignine is om het te verwerken in nieuwe materialen. Kijkt een chemicus naar de molecuulstructuur ervan, dan herkent die er met een beetje fantasie allerlei verschillende grondstoffen in. Daarmee kun je bioplastics maken, onder andere. Maar ook hiervoor moet de stof eerst heel precies afgebroken worden.
In de natuur is lignine juist zo geëvolueerd dat het zich verzet tegen afbraak. In planten vormt het ingewikkelde structuren met cellulose om ze te beschermen tegen de buitenwereld. Zo geeft het structuur, stevigheid en bescherming aan een plant. Dankzij lignine staan bomen en planten rechtop, en zijn groenten stevig.
Schimmels
Alleen bepaalde schimmels kunnen de stof in kleinere bouwstenen afbreken. Door deze schimmels lieten de onderzoekers zich inspireren. De schimmels maken namelijk een enzym aan – een groot eiwit dat in cellen reacties aanstuurt en versnelt – dat wél dicht bij het molecuul kan komen om het dan af te breken. De onderzoekers maakten een kunstmatig enzym dat in de kern op die natuurlijke enzymen lijkt. Maar in tegenstelling tot de natuurlijke enzymen kan dit enzym tot 60 °C blijven werken, en valt het niet snel uit elkaar – belangrijk voor industrieel gebruik.
‘Het leuke is dat dit onderzoek de natuur nadoet, terwijl de natuur lignine óók helemaal niet zo goed kan afbreken’, zegt Bert Weckhuysen. Hij is hoogleraar anorganische chemie en katalyse aan de Universiteit Utrecht. ‘Een dode boom rot maar heel traag, die kan jaren blijven liggen. De vraag is dus: kun je de afbraak efficiënter dan de natuur doen?’
Papierfabrikanten
In de natuurlijke enzymen zorgt ijzer voor de afbraak van lignine. Maar het kunstmatige enzym stuurt een heel ‘leger van ijzercomplexen’ op de stof af, zegt Weckhuysen. ‘Dat is de mooie en originele stap van de studie. Of het daadwerkelijk op industriële schaal toepasbaar is, is nog de vraag. Daar is nog werk aan de winkel voor de onderzoekers.’
Vooral papierfabrikanten zijn gebaat bij een nieuwe toepassing van lignine. Tot 35 procent van hout bestaat uit lignine, maar fabrikanten filteren het eruit. Anders zou papier snel verkleuren: lignine kleurt geel als het in aanraking komt met lucht. Het opgevangen lignine wordt vervolgens verbrand. Zo gaat in de papierindustrie 60 miljoen ton van de grondstof per jaar verloren als afvalstroom. Zonde, wanneer het in nieuwe materialen nog van nut kan zijn.
