Zo zou de (draaiende) reactor van bacterieel er uit kunnen zien (afb: Muhammad Rahman et al./Nature Communications)

Onderzoekers zouden het voor elkaar gekregen hebben bacteriën ‘uitgelijnde’ patronen van cellulose te laten maken, met de sterkte van metalen en de soepelheid van (sommige) kunststoffen. Dat proces zou ook nog eens geen vervuiling veroorzaken. Het cellulosemateriaal zou warmte kunnen geleiden en de werelden van verpakking, elektronica en energieopslag opnieuw kunnen ‘vormgeven’, stellen de onderzoekers.
Ooit is de wereld ‘verblijd’ met de komst van polymere materialen die in vele toepassingen emplooi kunnen vinden. Klein probleempje is dat deze vrij duurzaam (in de zin van langlevend) zijn en dan nog eens vaak worden toegepast in zeer onduurzame (=ongroene) toepassingen, zoals de verpakkingsindustrie en wegwerpartikelen. Gevolg: een hoop ‘duurzame’ troep die niet alleen de oceanen vervuilt.
Al tientallen jaren zijn er trucs bedacht om die polymeren weer te reduceren tot hun bouwstenen (de monomeren), maar een grote vlucht heeft die ‘route’ nooit genomen. Ooit zijn een kunststofdeskundige tegen mij(=as) dat kunststoffen een tijdelijke gebruiksfase vormen van olie, die na gebruik gewoon weer als brandstof kunnen worden gebruikt.
Onderzoekers rond werktuigbouwkundige Muhammad Maksud Rahman van de universiteit van Houston en collega’s denken nu een schoner alternatief gevonden te hebben in bacterieel cellulose. Dat zou goed biologisch afbreekbaar zijn zoals alle natuurlijke producten.

“Onze aanpak omvatte de ontwikkeling van een draaiende bioreactor die de beweging van celluloseproducerende bacteriën stuurt en hun beweging tijdens de groei uitlijnt”, aldus M.A.S.R. Saadi van de Rice-universiteit. “Deze uitlijning verbetert de mechanische eigenschappen van microbiële cellulose aanzienlijk, waardoor een materiaal ontstaat dat net zo sterk is als sommige metalen en glassoorten, maar toch flexibel, vouwbaar, transparant en milieuvriendelijk is.”

Bacteriële cellulosevezels vormen zich meestal willekeurig, wat hun mechanische sterkte en functionaliteit beperkt. Door gecontroleerde vloeistofdynamica in hun nieuwe bioreactor te gebruiken, bereikten de onderzoekers in-situ-uitlijning van cellulose-nanofibrillen, waardoor vellen ontstonden met een treksterkte tot 436 MegaPascal (MPa). Ter vergelijking: staal zit in de orde van 420 MPa tot 940 MPa (chroom/vanadiumstaal).
Door het inmengen van boornitride-nanodeeltjes tijdens de synthese ontstaat een hybride materiaal met een nog hogere sterkte – ongeveer 553 MPa – en verbeterde thermische eigenschappen, met een warmteafvoer die drie keer hoger is dan die van controlemonsters.

“Deze dynamische biosynthese-aanpak maakt het mogelijk om sterkere materialen met een grotere functionaliteit te creëren”, aldus Saadi. “De methode maakt het mogelijk om verschillende nanoschaaladditieven eenvoudig rechtstreeks in de bacteriële cellulose te integreren, waardoor het mogelijk wordt om de materiaaleigenschappen aan te passen aan specifieke toepassingen.”

Trainen van bacteriën

Saadi: “Het syntheseproces is vergelijkbaar met het trainen van een gedisciplineerde bacteriële populatie. In plaats van de bacteriën willekeurig te laten bewegen, instrueren we ze om in een specifieke richting te bewegen, waardoor hun celluloseproductie nauwkeurig wordt afgestemd. Deze gedisciplineerde beweging en de veelzijdigheid van de biosynthesetechniek stellen ons in staat om tegelijkertijd zowel uitlijning als multifunctionele eigenschappen te creëren.”

Het schaalbare, eenstapsproces biedt veelbelovende mogelijkheden voor talloze industriële toepassingen, waaronder structurele materialen, oplossingen voor thermisch beheer, verpakkingen, textiel, groene elektronica en energieopslagsystemen.

Rahman: “Dit werk is een mooi voorbeeld van interdisciplinair onderzoek op het snijvlak van materiaalkunde, biologie en nanotechnologie. We verwachten dat deze sterke, multifunctionele en milieuvriendelijke bacteriële celluloseplaten alomtegenwoordig worden, kunststoffen in diverse industrieën vervangen en bijdragen aan het beperken van milieuschade.” Overigens schijnt in Nederland het bedrijfje Plastilose al met bacterieel cellulose aan het werk te zijn.

Bron: Science Daily