U majicama, čarapama, košuljama i užadima — ili kao komponenta padobrana i automobilskih guma — poliamidi se svuda koriste kao sintetička vlakna. Krajem tridesetih godina prošlog veka za takve sintetičke poliamide je skovan naziv najlon. Najlon-6 i Najlon-6.6 su dva poliamida koja čine oko 95% globalnog tržišta najlona.
Do sada su se proizvodili od fosilnih sirovina. Međutim, ovaj petrohemijski proces je štetan za životnu sredinu jer emituje oko 10% azotnog oksida (gasa za smejanje) štetnog za klimu širom sveta i zahteva veliku količinu energije. „Naš cilj je da ceo lanac proizvodnje najlona učinimo ekološki prihvatljivim. Ovo je moguće ako pristupimo otpadu na bazi biologije kao sirovini i učinimo proces sinteze održivim“, kaže dr Falk Harniš, šef radne grupe za elektrobiotehnologiju u Helmholc centru za istraživanje životne sredine (UFZ).
Istraživači iz Lajpciga predvođeni Falkom Harnišem i dr Rohanom Karandom (Univerzitet u Lajpcigu/Centar za istraživanje i transfer bioaktivne materije b-ACT materije) opisali su kako se to može postići u članku objavljenom u Green Chemistri. Na primer, najlon se sastoji od oko 50% adipinske kiseline, koja se do sada industrijski izdvajala iz nafte.
Prvo, fenol se pretvara u cikloheksanol, koji se zatim pretvara u adipinsku kiselinu. Ovaj energetski intenzivan proces zahteva visoke temperature, visok pritisak gasa i veliku količinu organskih rastvarača. Takođe oslobađa mnogo azot-oksida i ugljen-dioksida. Istraživači su sada razvili proces u kome mogu da konvertuju fenol u cikloheksanol korišćenjem elektrohemijskog procesa.
„Hemijska transformacija koja stoji iza toga je ista kao u uspostavljenim procesima. Međutim, elektrohemijska sinteza zamenjuje gas vodonik električnom energijom koja se odvija u vodenom rastvoru i zahteva samo pritisak i temperaturu okoline“, objašnjava Harniš.
Da bi ova reakcija protekla što brže i efikasnije, potreban je odgovarajući katalizator. Ovo bi maksimiziralo prinos elektrona potrebnih za reakciju i efikasnost konverzije fenola u cikloheksanol. U laboratorijskim eksperimentima, najbolji prinosi (skoro 70% elektrona i nešto više od 70% cikloheksanola) su prikazani sa rodijumskim katalizatorom na bazi ugljenika.
„Relativno kratko vreme reakcije, efikasan prinos i efektivna upotreba energije, kao i sinergije sa biološkim sistemom čine ovaj proces atraktivnim za kombinovanu proizvodnju adipinske kiseline“, kaže dr Micjel Čaves Morejon, UFZ-hemičar i prvi autor studije.
U ranijim istraživanjima, dve druge UFZ radne grupe predvođene dr Katjom Biler i dr Brunom Bilerom otkrile su kako bakterija Pseudomonas taivanensis može da pretvori cikloheksanol u adipinsku kiselinu u drugom koraku. „Do sada nije bilo moguće mikrobno pretvoriti fenol u cikloheksanol. Ovaj jaz smo zatvorili elektrohemijskom reakcijom“, kaže dr Rohan Karande, koji sada nastavlja ovaj posao u saradnji sa UFZ na Univerzitetu u Lajpcigu.
Istraživači iz Lajpciga uspeli su da zatvore još jednu prazninu u ekološki prihvatljivoj proizvodnji najlona tako što su razvili alternativu za fenol proizveden od fosilnih sirovina. Da bi to uradili, koristili su monomere kao što su siringol, katehol i gvajakol, koji se svi proizvode kao proizvod razgradnje lignina — otpadnog proizvoda drvne industrije.
„Za ove modelne supstance, uspeli smo da pokažemo da zajedno možemo da idemo sve do adipinske kiseline“, kaže Harniš. Rohan Karande dodaje: „U svetu se proizvodi oko 4,5 miliona tona adipinske kiseline. Ako bismo za to koristili otpadne proizvode drvne industrije, to bi imalo značajan uticaj na svetsko tržište.“.
Međutim, još uvek treba preći dug put pre nego što najlon na bazi lignina bude spreman za tržište. Na primer, naučnici su do sada postigli prinos od 57% za 22-časovni celokupni proces (tj. od monomera iz ostataka lignina pomoću koraka mikrobne i elektrohemijske reakcije do adipinske kiseline). „Ovo je veoma dobar prinos“, kaže Micjel Čaves Morehon.
Rezultati se i dalje zasnivaju na laboratorijskim testovima u mililitarskoj skali. Preduslovi za skaliranje procesa treba da budu stvoreni u naredne dve godine. Ovaj transfer tehnologije zahteva ne samo bolje razumevanje celog procesa, već, između ostalog, i korišćenje pravih smeša lignina umesto modelnih smeša (kao što je do sada bio slučaj) i unapređenje elektrohemijskih reaktora. Harnisch i Karande kažu: „Proces za najlon na bazi lignina ilustruje veliki potencijal elektrohemijsko-mikrobnih procesa jer se optimalni lanac procesa može postaviti putem inteligentnog načina na koji se kombinuju različite komponente.“
