Ing. ON TOUR_Leerkracht

Transcriptie

1 Ing. ON TOUR_Leerkracht BIOKUNSTSTOFFEN Industrieel Ingenieur Chemie, Biochemie, Milieukunde UGent Campus Kortrijk Graaf Karel de Goedelaan Kortrijk

2 Voorwoord Deze workshop wordt georganiseerd door de vakgroep Industriële Biologische Wetenschappen (IBW) aan de UGent Campus Kortrijk. De vakgroep IBW staat bekend voor de opleidingen Bachelor en Master of Science in de Industriële Wetenschappen: biochemie, chemie en milieukunde, opleidingen die leiden tot de beroepstitel industrieel ingenieur biochemie, chemie en milieukunde. Industrieel ingenieurs zijn ingenieurs die vooral toepassingsgerichte kennis verwerven die zij kunnen gebruiken om bestaande toepassingen en ontwerpen te verbeteren of om systemen te optimaliseren in een specifieke bedrijfs of sectorcontext. Als industrieel ingenieur chemie en milieukunde ben je in staat om heel concrete en duurzame producten te ontwikkelen. Dit noemt men in het bedrijf de R&D afdeling. In de R&D afdeling is het de bedoeling om nieuwe producten te ontwikkelen. Na de ontwikkeling moet men testen of alles voldoet aan de vooropgestelde eisen. Tijdens deze workshop krijgen jullie de opdracht om twee soorten biokunststoffen te ontwikkelen. Hierna ben je in staat om de waterresistentie van biokunststoffen te analyseren. Er is van deze workshop een inleidende lesvideo ter beschikking. Raadpleeg Heb je bepaalde reagentia niet voor handen? Contacteer ons via en dan zoeken we samen naar een oplossing. Meer informatie over onze opleiding kan je terugvinden op volgende website: kortrijk/nl. Wil je meer weten over ons onderzoek, dan kan je een kijkje nemen op de website 2 van 14

3 Leerplandoelen Deze workshop voldoet aan volgende leerplandoelen: ASO ASO ASO Richting Leerplan Leerplandoelstelling Economie wetenschappen AV CHEMIE AD 11 Duurzaamheid Grieks wetenschappen 2014/007 Kunststoffen: bio plastics Latijn wetenschappen GO Moderne talen wetenschappen Sportwetenschappen Wetenschappen topsport Wetenschappen wiskunde Economie moderne talen Economie wiskunde Grieks Latijn Grieks moderne talen Grieks wiskunde Humane wetenschappen Latijn moderne talen Latijn wiskunde Moderne talen wiskunde Moderne talen topsport Wiskunde topsport Economie moderne talen Economie wiskunde Grieks Latijn Grieks moderne talen Grieks wiskunde Humane wetenschappen Latijn moderne talen Latijn wiskunde Moderne talen wiskunde Moderne talen topsport Wiskunde topsport AV CHEMIE 2014/008 GO Natuurwetenschappen 2014/009 GO TSO Techniek wetenschappen VVKSO BRUSSEL D/2014/7841/025 AD 11 Duurzaamheid Kunststoffen: bio plastics Bereiding en eigenschappen van kunststoffen of (bio)polymeren Variant Bereiden van een bioplastic met: melk en wijnazijn; met zetmeel en glycerol. Lesdoelstellingen De leerlingen kunnen met eigen woorden het verschil uitleggen tussen conventionele en biokunststoffen. De leerlingen kunnen biokunststoffen, met natuurlijke polymeren of natuurlijke monomeren, zelf bereiden met behulp van een recept. De leerlingen kunnen de eigenschappen van biokunststoffen experimenteel bepalen. 3 van 14

4 VOETen De leerlingen blijven, ondanks moeilijkheden, een doel nastreven. De leerlingen gedragen zich respectvol. De leerlingen nemen verantwoordelijkheid op voor het eigen handelen. 4 van 14

5 1. Inleiding 1.1. Wat zijn biokunststoffen? De naam kunststoffen is een overkoepelende benaming voor synthetische materialen die gebruikt worden ter vervanging van hout, steen of metaal. Kunststoffen zijn gebouwd uit zeer grote moleculen, macromoleculen of polymeren genoemd. De naam polymeer is afgeleid van de Griekse woorden polys en meros die respectievelijk veel en deel betekenen. Een polymeer is opgebouwd uit een aaneenschakeling van herhaaleenheden of monomeren. In 1980 ontdekte men dat de traditionele of conventionele kunststoffen, bestaande uit polymeren van aardolie, een grote vervuiling waren. Omwille van deze vervuiling zochten de onderzoekers naar alternatieven. Onderzoekers vonden dat bepaalde stammen van genetisch gemodificeerde microorganismen het afbreekproces van traditionele kunststoffen konden versnellen. Op een gegeven moment ontdekte men dat polymeren van plantaardige grondstoffen gemaakt konden worden, men noemt dit biokunststoffen. De algemene definitie van biokunststoffen luidt als volgt (Wageningenworld, 2014) (Saxion Kenniscentrum Design en Technologie, 2009): Biokunststoffen zijn gemaakt uit hernieuwbare grondstoffen en zijn in het algemeen zelf opnieuw te gebruiken. De biokunststoffen dragen niet bij aan de uitstoot van het broeikasgas CO 2 en daarom worden ze als duurzaam gezien (Agrotechnology & Food Sciences Group, 2006) Onderverdeling Kunststoffen en biokunststoffen kunnen onderverdeeld worden op basis van hun grondstoffen en het al dan niet biodegradeerbaar zijn, zoals weergegeven in figuur 1 (European Bioplastics, 2015). Figuur 1: Onderverdeling kunststof en biokunststof (European Bioplastics, 2015)(Nederlands) 5 van 14

6 De biodegradeerbare (bio)kunststoffen kunnen verder onderverdeeld worden in vier categorieën op basis van hun grondstof (Bordes, et al., 2009); (Sanjeevani Reddy, et al., 2013): 1. Kunststoffen op basis van aardolie. Deze kunststoffen worden vervaardigd uit synthetische monomeren die afkomstig zijn van aardolie. Ze zijn wel biologisch afbreekbaar en composteerbaar. 2. Kunststoffen uit polymeren van natuurlijke oorsprong. Deze kunststoffen worden geëxtraheerd en gewonnen uit biomassa, zoals bv. hout, maïs en aardappels. Voorbeelden van polymeren zijn zetmeel en cellulose. 3. Kunststoffen uit monomeren van natuurlijke oorsprong. De kunststoffen worden op de klassieke manier vervaardigd uit bio monomeren. De biomonomeren worden op een biotechnologische wijze verkregen uit agrogrondstoffen. 4. Kunststoffen gemaakt door micro organismen. Kunststoffen kunnen ook vervaardigd worden door micro organismen, zoals bacteriën, gisten of planten Polymeren van natuurlijke oorsprong In deze workshop maken jullie zelf een biokunststof aan bestaande uit polymeren van natuurlijke oorsprong. Als natuurlijk polymeer wordt er gebruik gemaakt van zetmeel. Zetmeel komt veel voor in aardappelen en graanproducten. De mens neemt zetmeel op en zet dit om in glucose. Dit is mogelijk omdat zetmeel een polymeer is bestaande uit glucosemonomeren. Het is dus een aaneenschakeling van glucose monomeereenheden en kent twee chemische vormen, namelijk amylose en amylopectine (van de Graaf & Franke, 2003) Figuur 2: Chemische structuur van amylopectine (vertakte polymeer) en amylose (lineaire polymeer) (van de Graaf & Franke, 2003) 6 van 14

7 Tijdens het aanmaken van de zetmeelbiokunststof ordenen de ketens van zetmeel in een rechte gestructureerde keten. De rechte keten amylose zorgt voor een meer geordende en sterke kunststof dan de vertakte amylopectine. Waterstofchloride wordt toegevoegd aan de oplossing om de vertakte amylopectine te breken ter vorming van een gestructureerde amylose molecule. Tijdens het opwarmen lost zetmeel op in het water en verliest zetmeel zijn semi kristallijne structuur, zoals weergegeven in figuur 3. Figuur 3: Semi kristallijne (amorf en kristallijn) structuur van de zetmeelkorrel (van de Graaf & Franke, 2003). Door het verliezen van de structuur ontstaat er een zeer viskeuze oplossing, dit staat ook gekend als verstijfseling. Tijdens het afkoelen wordt het water terug uitgestoten en vormen de amylose moleculen opnieuw een semi kristallijne structuur ter vorming van brosse biokunststof (Green Plastics, 2011); (van de Graaf & Franke, 2003). Er kan ook een weekmaker, namelijk glycerol, toegevoegd worden. De weekmaker zorgt ervoor dat de biokunststof flexibel wordt, maar hiervoor moet de weekmaker homogeen verdeeld worden over het volledig mengsel (Seifert, 2012) Monomeren van natuurlijke oorsprong In 1897 deed biokunstof afkomstig van een natuurlijk monomeer zijn intrede. Melk bevat het natuurlijk monomeer caseïne, de chemische structuur wordt weergegeven in figuur 4 (Pilla, 2011). Figuur 4: Chemische structuur van caseïne (Chemical Book, 2010) Melk is basisch en door toevoeging van azijn verandert de basische oplossing in een zure oplossing. Niet enkel de zure omgeving is belangrijk voor het herorganiseren van het monomeer caseïne, maar ook de temperatuur. Na een optimale omgeving van zuur en temperatuur herorganiseren de caseïne monomeren ter vorming van polymeren. De herorganisering van caseïne is visueel zichtbaar als witte vlokken (Science Buddies, 2012); (The Plastics Historical Society, 2015). 7 van 14

8 2. Levenscyclus biokunststoffen In figuur 5 wordt de levenscyclus van een biokunststof vervaardigd uit polymeren van natuurlijke oorsprong weergegeven. Het is duidelijk zichtbaar dat de levenscyclus van deze soort biokunststoffen een gesloten cyclus is, het kan dus telkens hergebruikt worden. Figuur 5: Levenscyclus van biokunststoffen (Operation Boost, 2015 ) (Nederlands) 8 van 14

9 3. Practicum 3.1. Materiaal en reagentia Materiaal Afzuigerlenmeyer Büchnertrechter Chronometer Droogstoof (of enkele dagen drogen aan de lucht) Elektrische verwarmingsplaat of bunsenbrander/driepikkel/draadnet Filtreerpapier voor büchnertrechter Gegradueerde pipet (5ml) Glazen horlogeglazen x 2 (of een vorm) Laboratoriumjas Lepel Maatbeker (100ml) Maatbeker (250ml) x2 Pipetteerballon Roerstaaf x2 Thermometer Veiligheidsbril Volpipet (25 ml) Weegschaal Reagentia Aardappelzetmeel (5 g/groep) Huishoud azijn (5ml/groep) Gedestilleerd water Glycerol (propaan 1,2,3 triol) (2 ml/groep) Halfvolle melk (50ml/groep) + 50ml extra Natriumhydroxide (NaOH 0,1M) (6 ml/groep) Waterstofchloride (HCl 0,1M) (6ml/groep) Zuurbase indicator (universeel phpapier) of ph meter Veiligheidsfiches zijn terug te vinden op de laatste pagina 3.2. Kunststoffen uit polymeren van natuurlijke oorsprong. Weeg 2,5g aardappelzetmeel af in een horloge glas o Noteer de afgewogen hoeveelheid Breng aardappelzetmeel over in een maatbeker van 250ml Voeg 25,0 ml gedestilleerd water toe aan de maatbeker van 250ml Voeg 3 druppels universeel indicator toe aan de oplossing Voeg 3ml HCl (0,1 mol/l) toe aan de oplossing Verwarm de oplossing tot gelvorming Roer in het mengsel Voeg ongeveer 3ml NaOH toe tot een neutrale ph waarde of dus tot dat de oplossing groen kleurt Noteer hoeveel NaOH je hebt toegevoegd Weeg je horlogeglas af Giet het mengsel in een horlogeglas en laat het mengsel drogen in de droogstoof 9 van 14

10 Uitbreiding: Herhaal bovenstaande stappen en voeg na het toevoegen van 3ml HCl nog 2ml glycerol toe aan de oplossing Kunststoffen uit monomeren van natuurlijke oorsprong. Breng 50 ml halfvolle melk over in een maatbeker van 250ml Verwarm de halfvolle melk (ongeveer 50 C). Giet er al roerend 5 ml azijn bij Laat het mengsel op de verwarmplaat staan tot er duidelijke witte vlokken waar te nemen zijn Filtreer het verwarmde mengsel m.b.v. een büchnertrechter o Weeg ondertussen een horlogeglas af Leg na het filtreren het filtreerpapier en biokunststof in het afgewogen horlogeglas Weeg het geheel, filtreerpapier, biokunststof en horlogeglas, af en noteer de massa o Extra: De biokunststof kan je kneden ter vorming van een beeldje of parel Laat de biokunststof enkele dagen drogen Weeg het geheel nogmaals af na het drogen Eventueel klassikaal bovenstaande stappen herhalen, maar zonder opwarming 3.4. Kwaliteitstest (volgende les) Waterresistentie Neem van elk gemaakt biokunststof een staal: o o bestaande uit polymeren van natuurlijke oorsprong (aardappelzetmeel kunststof) bestaande uit monomeren van natuurlijke oorsprong (melk kunststof) Weeg de stalen af Zet 2 maatbekers gevuld met leidingwater klaar Breng de stalen op hetzelfde moment in het water en laat de stalen gedurende 1 dag staan Droog de stalen af met papier en weeg opnieuw 10 van 14

11 4. Besluit Wat is het verschil tussen conventionele en biokunststoffen Conventionele kunststoffen zijn afkomstig van polymeren van aardolie. Deze kunststoffen zijn heel vervuilend voor het milieu. Biokunststoffen zijn gemaakt uit hernieuwbare grondstoffen en zijn over het algemeen zelfs opnieuw te gebruiken. Wat is het verschil tussen de kunststof in de eerste proef met en zonder glycerol? Met glycerol Soepel Breekt elastisch Kleverig (Start, niet meer na een tijd) Zonder glycerol Taai Hard breken Niet kleverig Wat is het verschil tussen de kunststof in de tweede proef met en zonder opwarming? De opwarming zorgt voor een versnelling van het proces. Zonder opwarming duurt het dus heel lang vooraleer de caseïne monomeren kunnen uitvlokken en polymeren vormen. Extra: het toevoegen van het zuur zorgt voor een verlaging van de ph en hierdoor herorganiseren de caseïne moleculen zich in een lange keten. Dit zorgt voor de troebele oplossing. Wat is het verschil tussen conventionele en biokunststoffen wat betreft waterresistentie? Nadat de biokunststoffen 1 dag geweekt hebben in het water is het duidelijk dat de biokunststoffen gedeeltelijk oplossen in het water. Soort biokunststof Dag 0 (g) Dag 1 (g) Polymeren van natuurlijke oorsprong 0,4 Nat: 0,5 1 dag drogen: 0,2 Monomeren van natuurlijke oorsprong. 0,4 Nat: 0,8 1 dag drogen: 0,3 (kan zijn dat dit nog wat nat was) Figuur 6: Waterresistentie biokunststof 11 van 14

12 Bibliografie Agrotechnology & Food Sciences Group. (2006). Groene Grondstoffen. (C. Bolck, Ed.) Retrieved April 7, 2015, from Bordes, P., Pollet, E., & Avérous, L. (2009). Nano biocomposites: Biodegradable polyester/nanoclay systems. Progress in Polymer Science, 34(2), Chemical Book. (2010). Chemical Book. Retrieved juli 15, 2015, from European Bioplastics. (2015, April). What are bioplastics? Retrieved Oktober 28, 2015, from bioplastics.org/wp content/uploads/2011/04/fs/bioplastics_eng.pdf Green Plastics. (2011). GreenPlastics. Retrieved Januari 15, 2016, from why water and vinegar/ Operation Boost. (2015 ). Bio plastic & disposables. Retrieved April 7, 2015, from innovation/bio plastic and others/ Pilla, S. (2011). Handbook of Bioplastics and Biocomposites Engineering Applications. Canada: John Wiley & Sons. Sanjeevani Reddy, V., Laxmana Reddy, R., & Anusha Gupta, G. (2013, Mei). Study of Bio plastics As Green & Sustainable Alternative to Plastics. Retrieved oktober 28, 2015, from Saxion Kenniscentrum Design en Technologie. (2009). industrial design centre. Retrieved April 7, 2015, from Science Buddies. (2012, september 13). Sculpted Science: Turn Milk into Plastic!. Retrieved juli 15, 2015, from science home milk plastic/ Seifert, L. (2012). Starch to Plastics Lab. The Plastics Historical Society. (2015). Casein. Retrieved Oktober 28, 2015, from van de Graaf, A., & Franke, B. (2003, September). Chemische feitelijkheden. Retrieved Januari 14, 2016, from zetmeel.pdf Wageningenworld. (2014). Biobased. Retrieved April 7, 2015, from 12 van 14

13 Deze les wordt gesponsord door 13 van 14

14 Azijnzuur CH 3 COOH CAS H EUH210 Veiligheidsinformatieblad op verzoek verkrijgbaar. WGK 1 Mr: 60,05 UGent Natriumhydroxide NaOH 0,1 mol/l CAS WGK 1 Mr: 40 UGent Glycerol (HOCH 2 ) 2 CHOH CAS WGK 1 Mr: 92,1 UGent Zoutzuur HCl 0,1 mol/l CAS WGK 1 Mr: 36,46 UGent