De Europese Commissie heeft via CORDIS de resultaten naar buiten gebracht van BioUPGRADE, een inmiddels afgerond onderzoeksproject naar nieuwe toepassingen van natuurlijke polymeren uit biomassa. Het project richtte zich op het gebruik van cellulose, hemicellulose en chitine in onder meer verpakkingsmaterialen, geleidende inkten en hydrogels. BioUPGRADE liep van 2021 tot eind 2025, stond onder leiding van Aalto University in Finland en kreeg bijna 3 miljoen euro Europese steun. Ook CIC BioGUNE, KTH en UPM Kymmene maakten deel uit van het consortium.
BioUPGRADE koos voor een andere benadering dan veel bestaande verwerkingsroutes voor biomassa. Niet de volledige afbraak van plantaardige grondstoffen stond centraal, maar de gerichte bewerking van natuurlijke polymeren die al in biomassa aanwezig zijn. Het idee daarachter is dat zulke structuren ook zonder volledige ontleding bruikbaar kunnen zijn voor materialen met specifieke eigenschappen.
Niet eerst afbreken tot suikers
In veel bioraffinageprocessen wordt biomassa eerst afgebroken tot suikers of andere eenvoudige moleculen, die daarna weer dienen als basis voor brandstoffen, chemicaliën of materialen. BioUPGRADE richtte zich juist op de stap daarvoor. Het project onderzocht hoe natuurlijke vezelstructuren en polymeren direct kunnen worden aangepast met enzymen en andere biokatalysatoren.
Daarbij draaide het vooral om cellulose, hemicellulose en chitine. Dat zijn structurele biopolymeren die in grote hoeveelheden voorkomen in plantaardige en andere natuurlijke grondstoffen. Volgens de projectbeschrijving ligt daar nog veel ruimte voor nieuwe materiaaltoepassingen, juist omdat deze stoffen meestal niet op die manier worden benut.
Enzymen voor gerichte bewerking
Binnen het project werd gewerkt met biokatalysatoren die niet alleen materiaal afbreken, maar ook eigenschappen van vezels en oppervlakken kunnen veranderen. Het gaat om eiwitten en enzymen die bijvoorbeeld de toegankelijkheid van vezels beïnvloeden of chemische groepen kunnen toevoegen aan het materiaal.
Volgens de Europese projectsamenvatting ontwikkelden de onderzoekers daarvoor ook microplatforms om zulke biokatalysatoren te selecteren op heel specifieke eigenschappen. Daarbij werd gekeken naar veranderingen in porositeit, lading, stromingsgedrag en chemische functionaliteit.
Ook zogenoemde ancestrale enzymen maakten deel uit van het onderzoek. Dat zijn gereconstrueerde varianten van oude eiwitten, die eigenschappen kunnen hebben die in moderne enzymen minder sterk aanwezig zijn. Binnen BioUPGRADE werden onder meer expansins, endoglucanase en lytic polysaccharide monooxygenase onderzocht.
Opschaling tot 200 liter
Het project bleef niet beperkt tot laboratoriumonderzoek op kleine schaal. Volgens CORDIS zijn microbiële expansins opgeschaald in bioreactoren van 5 tot 200 liter. Dat is nog geen industriële productie, maar wel een stap die laat zien dat het project ook keek naar de praktische inzet van zulke enzymen.
De onderzoekers gebruikten daarbij een systeem waarbij het eiwit direct buiten de cel wordt uitgescheiden. Dat kan de productie vereenvoudigen, omdat minder zuiveringsstappen nodig zijn. Zulke proceskeuzes zijn van belang voor de vraag of een biotechnologische route later ook economisch haalbaar kan worden.
De aanwezigheid van UPM Kymmene in het consortium wijst er bovendien op dat vanaf het begin ook naar industriële toepassingen is gekeken. Volgens de projectsite hield deze partner zich bezig met de modificatie van lignocellulosische vezels voor toekomstig gebruik in materialen.
Coatings, inkten en hydrogels
De uitkomsten van BioUPGRADE wijzen op verschillende toepassingsrichtingen. In de Brusselse samenvatting worden verpakkingsmaterialen, geleidende inkten voor bio elektronica en hydrogels voor gezondheid en persoonlijke verzorging genoemd. Daarmee laat het project zien dat enzymatische bewerking van natuurlijke polymeren niet alleen relevant is voor fundamenteel onderzoek, maar ook voor concrete materiaalontwikkeling.
Op de publicatiepagina van het project staan daarnaast studies over cellulose nanokristallen en over coatings op basis van cellulose. Zulke toepassingen sluiten aan bij markten waar wordt gezocht naar nieuwe materialen op basis van hernieuwbare grondstoffen, zonder direct terug te vallen op fossiele koolstof.
Bouwstenen voor vervolg
BioUPGRADE heeft geen directe marktintroductie opgeleverd. Daarvoor zijn verdere stappen nodig in opschaling, procesontwikkeling en validatie in industriële ketens. De resultaten laten wel zien dat natuurlijke polymeren uit biomassa gerichter kunnen worden aangepast dan in veel bestaande routes het geval is.
Daarmee biedt het project vooral aanknopingspunten voor vervolgonderzoek en verdere ontwikkeling. Niet de volledige afbraak van biomassa stond centraal, maar de bewerking van structuren die al in het materiaal aanwezig zijn. Juist die benadering maakt BioUPGRADE interessant voor de ontwikkeling van nieuwe biobased materialen.
Bron: CORDIS, Results in Brief over BioUPGRADE
Foto door Francesco Ungaro, pexels.com
