Met een combinatie van flow- en elektrochemie kun je het aminozuur alanine op een groenere manier synthetiseren dan door fermentatie, schrijft een team uit Twente in ChemPlusChem.
Aminozuren zijn niet alleen de hoofdbestanddelen van eiwitten en enzymen in je lichaam, je vindt ze ook terug in voedingssupplementen, geneesmiddelen en vele andere toepassingen. Op dit moment produceer je aminozuren via organische synthese of microbiële fermentatie, wat zeer energie-intensieve en soms complexe processen zijn die schadelijke chemicaliën gebruiken. Christos Englezos, Akash Raman, Arturo Susarrey en collega’s van de Universiteit Twente onderzochten een alternatief waarbij een elektrochemische flowreactor wordt gebruikt om alanine op een groenere manier te synthetiseren.
’Aminozuren zoals alanine hebben veel toepassingen, vooral in voedseladditieven’, zegt Christos Englezos, voormalig masterstudent bij Mesoscale Chemical Systems waar het onderzoek werd uitgevoerd. ‘We wilden een alternatief vinden voor de fermentatiemethode en gebruik maken van hernieuwbare grondstoffen in de vorm van ruwe biomassa.’
’De elektrificatie van deze synthesemethoden is essentieel voor de groene transitie’, legt Akash Raman uit, die een postdoc doet in dezelfde groep. Het team gebruikte een zero-gap stroomelektrolyser met een titanium/titaniumoxide katalysatorcombinatie. ‘We hebben een zero-gap elektrode zó ontworpen dat er geen ruimte meer is tussen de elektroden en het membraan. Dit vermindert de weerstand tussen de twee elektroden, wat belangrijk is voor organische elektrochemische reacties.’ Raman merkt verder op dat als je groene energie gebruikt om de reactor te laten werken, het een duurzaam alternatief is voor conventionele organische synthese of fermentatie.
Een belangrijk aspect om rekening mee te houden is de porositeit van de elektrodes. ‘Het reactiemengsel stroomt door de poreuze lagen van de katalysator’, zegt Englezos. ‘Op deze manier gaat het door een web van vezels. Hoe poreuzer het materiaal, hoe groter het actieve katalysatorgebied waar de reactie plaatsvindt. Met name TiO2/Ti-viltelektroden met een dikke en poreuze oxidelaag vertoonden de hoogste omzettingsefficiëntie – wat het belang van de dikte van de oxidelaag en de rol van het oxide in het reactiemechanisme benadrukt.’ Voor de liefhebbers: het team bereikte een optimale alanine Faradaïsche efficiëntie van 75% bij een toegepast celpotentiaal van 2,0 V en een reactantdebiet van 10 ml/u.
Een van de uitdagingen voor het team was de elektrode zelf. Raman: ‘Toen we de synthese voor het eerst probeerden, werkten de elektroden niet zoals verwacht. Omdat organische elektrochemie een relatief nieuwe richting is voor ons lab, moesten we nog veel leren.’ Uiteindelijk werd de rol van de elektrode zelf de focus van het onderzoek en na wat sleutelen en experimenteren slaagde het team hierin.
Een andere uitdaging was het bepalen van hoeveel alanine er werd gevormd. ‘’We kregen een mengsel van product, tussenproduct en andere moleculen’, legt Englezos uit. ‘Uiteindelijk ontdekten we dat NMR-spectroscopie de beste manier was en konden we uitgebreid bewijzen dat onze methode werkt.’
Voordat je deze alanineproductiemethode op industriële schaal kunt toepassen, is verdere optimalisatie nodig. ‘Een belangrijk nadeel van onze methode is dat deze niet enantioselectief is, wat betekent dat we zowel D-alanine als L-alanine maken’, zegt Raman. ‘Alleen L-alanine is compatibel met het leven.’ Englezos voegt toe: ‘We hebben ook een manier nodig om het product te zuiveren, wat belangrijk is voor opschaling.’ Bovendien is de reactie die het team bestudeerde slechts één stap in de omzetting van biomassa in aminozuren. Raman: ‘De andere stappen moeten ook bestudeerd en duurzaam gemaakt worden.’
Het team heeft ook gekeken hoe de reactie zou verlopen als je meer dan één precursor zou gebruiken. ‘Maar daarvoor moeten we onze protocollen nog optimaliseren’, zegt Englezos. ‘Het lijkt erop dat iets de omzetting remde toen we een mengsel van twee precursoren gebruikten.’ Het is een belangrijke volgende stap volgens Raman. ‘Als je het proces start vanuit ruwe biomassa en deze afbreekt, krijg je automatisch een mengsel van verschillende precursoren en dit kan leiden tot de productie van een mengsel van aminozuren, waarmee je als het ware meerdere vliegen in één klap slaat.’
Englezos, C. et al. (2024) ChemPlusChem e202300763, DOI: 10.1002/cplu.202300763
Nog geen opmerkingen