Bioplastics kunnen op een eenvoudige en milieuvriendelijke manier chemisch worden gerecycled tot stikstofrijke meststoffen, blijkt uit onderzoek van wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology.

Aan het Tokyo Institute of Technology pioniert een team van wetenschappers onder leiding van assistent-professor Daisuke Aoki en professor Hideyuki Otsuka met een nieuw concept. In hun nieuwe milieuvriendelijke proces worden kunststoffen die zijn geproduceerd met behulp van biomassa (bioplastics) chemisch gerecycleerd tot meststoffen. Deze studie zal worden gepubliceerd in Green Chemistry, een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry dat zich richt op innovatief onderzoek naar duurzame en milieuvriendelijke technologieën.

Het team heeft zich geconcentreerd op poly (isosorbidecarbonaat), of "PIC", een type biogebaseerd polycarbonaat dat veel aandacht heeft gekregen als alternatief voor polycarbonaten op basis van aardolie. PIC wordt geproduceerd met behulp van een niet-toxisch materiaal dat is afgeleid van glucose, isosorbide (ISB) genaamd, als monomeer. Het interessante is dat de carbonaatverbindingen die de ISB-eenheden verbinden, kunnen worden verbroken met ammoniak (NH3) in een proces dat bekend staat als "ammonolyse". Dit proces levert ureum op, een stikstofrijk molecuul die op grote schaal als meststof wordt gebruikt. Hoewel deze chemische reactie geen geheim was voor de wetenschap, hebben maar weinig studies over polymeerafbraak zich gericht op de mogelijke toepassingen van alle afbraakproducten in plaats van alleen de monomeren.

Eerst onderzochten de wetenschappers hoe goed de volledige ammonolyse van PIC kon worden uitgevoerd in water bij milde omstandigheden (30°C en atmosferische druk). Dit om het gebruik van organische solventen en buitensporige hoeveelheden energie te vermijden. Het team analyseerde zorgvuldig alle reactieproducten met verschillende middelen, waaronder NMR-spectroscopie (nuclear magnetic resonance), FITR (Fourier-transform infrared spectroscopy) en gelpermeatiechromatografie.

Hoewel zij er op deze manier in slaagden ureum te produceren, was de afbraak van PIC zelfs na 24 uur nog niet volledig, met nog veel ISB-derivaten aanwezig. Daarom probeerden de onderzoekers de temperatuur te verhogen en ontdekten dat volledige afbraak kon worden bereikt in ongeveer zes uur bij 90°C. Dr. Aoki benadrukt de voordelen van deze aanpak: "De reactie verloopt zonder enige katalysator, wat aantoont dat de ammonolyse van PIC gemakkelijk kan worden uitgevoerd met behulp van waterige ammoniak en verwarming. Deze procedure is dus operationeel eenvoudig en milieuvriendelijk vanuit het oogpunt van chemische recycling."

Ten slotte, als proof-of-concept dat alle PIC-afbraakproducten rechtstreeks als meststof kunnen worden gebruikt, voerde het team plantengroei-experimenten uit met Arabidopsis thaliana, een modelorganisme. Zij ontdekten dat planten die met alle PIC-afbraakproducten waren behandeld, beter groeiden dan planten die alleen met ureum waren behandeld.

De algemene resultaten van deze studie tonen de haalbaarheid aan van de ontwikkeling van uit kunststoffen vervaardigde meststofsystemen (zie afbeelding). Deze systemen kunnen niet alleen helpen om vervuiling en uitputting van hulpbronnen tegen te gaan, maar ook helpen om aan de toenemende vraag naar voedsel in de wereld te voldoen.