Hoe pas je safe and sustainable by design toe?

De Chemicals Strategy for Sustainability ziet safe and sustainable by design als de manier om duurzame en veilige stoffen te (her)ontwerpen. Maar hoe doe je dat? Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en Universiteit Utrecht bogen zich over een vlamvertrager en kwamen via in silico-methoden (chemische ‘proeven’ door computerberekeningen) en een aantal lab-testen tot een veilig en duurzaam alternatief.

Tekst: Igor Znidarsic

Chemische stoffen worden ontwikkeld voor hun nuttige functies, in bijvoorbeeld medicijnen, kleding, speelgoed en voedsel. Soms blijken ze ook eigenschappen te hebben die een risico kunnen vormen voor mens en milieu. “Voor een groot aantal chemische stoffen is onvoldoende bekend over de gevaren voor het milieu, waardoor problemen vaak pas aan het licht komen als de stoffen al lange tijd in gebruik zijn”, zegt Joanke van Dijk, promovendus bij het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling van de Universiteit Utrecht. “Nieuwe stoffen komen met een snelheid op de markt die veel hoger is dan het tempo waarin we gevaarlijke eigenschappen kunnen vaststellen en beoordelen.” Het probleem wordt door de Europese Commissie benoemd in de Chemicals Strategy for Sustainability. Als oplossing wordt safe and sustainable by design aanbevolen, een multidisciplinair ontwerpproces dat al in een vroeg stadium de veiligheid en duurzaamheid van een stof garandeert.


Safe and sustainable by design | Innovatie van veilige en duurzame chemicaliën


Maar hoe doe je dat in de praktijk? Om die vraag te beantwoorden gingen de Universiteit van Amsterdam (UvA) en de Universiteit Utrecht (UU) op zoek naar een methode voor het (her)ontwerpen van chemische stoffen met het oog op veiligheid en duurzaamheid. Als case study werd triisobutylfosfaat (TiBP) gekozen, een organofosfaat die veel als vlamvertrager wordt toegepast. UvA-promovendus Hannah Flerlage deed er voor haar masterstage onderzoek naar. “Vlamvertragers beschermen tegen vuur en vergroten de veiligheid, maar door het wijdverspreide gebruik komen ze in veel Europese wateren voor”, vertelt ze. “Tijdens het wassen spoelen deze stoffen uit onze kleding en komen ze via het afvalwater in het milieu terecht. Omdat dit niet te vermijden is, hebben we ervoor gekozen om TiBP te herontwerpen en de afbreekbaarheid van de stof in het milieu te verbeteren.” Met haar afstudeerverslag over een systeembenadering van de productie van organofosfaat-vlamvertragers die geschikt zijn voor de circulaire economie won zij eind vorig jaar de Student Recycling Award van de Nederlandse branchevereniging BRBS Recycling. 

Parameters

Flerlage werd bij het onderzoek begeleid door twee promovendi: Joanke van Dijk van de groep van prof. dr. Annemarie van Wezel, wetenschappelijk directeur bij het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamica van de UvA, en Steven Beijer, van de groep van dr. Chris Slootweg van het Van ’t Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen van de UvA. “We hebben bewust gekozen voor deze multidisciplinaire aanpak”, zegt Slootweg. “Om zo een methodiek te creëren voor het (her)ontwerpen van moleculen zowel wat betreft hun toepassing, in dit geval vlamvertraging, als veiligheid voor mens en milieu, én volledige circulariteit.”

Werkstroom voor de systematische, door computer ondersteunde benadering voor veilige en duurzame stoffen.

 

In het onderzoek werd gebruikgemaakt van in silico-methoden: chemische ‘proeven’ door computerberekeningen. Met een aangepast computerprogramma genereerden de onderzoekers meer dan 6,3 miljoen chemische structuren die enigszins vergelijkbaar zijn met de originele stof TiBP. Daarna gebruikten ze QSAR-modellen (Quantitative Structure Activity Relationship) om deze structuren te filteren op de parameters persistentie, mobiliteit, bio-accumulatie (ophoping in organismen) en toxiciteit. Van Dijk: “De in silico-methoden benaderen de werkelijkheid tot op zekere hoogte, maar blijven altijd een schatting. Het ene model is ook beter gevalideerd dan het andere. Maar het grote voordeel is dat je niet alles in het lab hoeft te testen, dat is nogal tijdrovend en kostbaar. Je kunt alvast voor-filteren. Uiteindelijk heb je altijd nog experimenten in het lab nodig om een en ander te bevestigen. Vooral tegen het einde liepen we er tegenaan dat je niet alles kunt modelleren.”

Van Wezel: “Op het gebied van bijvoorbeeld gedrag bestaan er goede modellen, maar we merkten dat er op het gebied van functionaliteit in producten heel weinig modellen beschikbaar zijn. Dat zou verder ontwikkeld kunnen worden, in nauwe samenwerking met materiaalwetenschappers.” 

Grondstoffen

Vervolgens werd een rangschikking gemaakt op basis van zowel de voorspelde eigenschappen van de stoffen als het gemak waarmee ze te synthetiseren zijn in het lab. Dit leverde een top 500 op van meest kansrijke structuren. Een handmatige analyse op basis van de expertise van het Van ’t Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen identificeerde vervolgens di-n-butyl(2-hydroxyethyl)fosfaat als geschikt alternatief voor TiBP. Van Dijk: “Ook hier zijn in silico-modellen gebruikt als indicatie, maar uiteindelijk moet je ook zelf een schatting maken.”

 

"Zowel nationaal als internationaal kijken de regelgevers met belangstelling naar dit onderzoek."

 

In het kader van het facultaire thema Zero Waste – ter bevordering van een wereld waarin afval niet meer bestaat – is specifiek gezocht naar structuren op basis van fosfaat. “Je maakt idealiter verbindingen uit reststoffen, die daarmee de grondstoffen worden”, aldus Van Wezel. “Zo maak je niet alleen een stof die niet belastend is voor het milieu, maar maak je ook de productie en de grondstoffen circulair.” Daarna moest di-n-butyl(2-hydroxyethyl)fosfaat nog gesynthetiseerd worden. “We maakten daarvoor gebruik van bekende syntheseroutes”, vertelt Slootweg. “Die moet je je wel eigen maken in het lab, en dat kost wat tijd.” Tussen een kleine hoeveelheid in het lab en grootschalige productie zit nog wel een wereld van verschil, maar naar de kansen op opschaling is nu nog niet gekeken. “Dat is een volgende stap. Die parameter wordt in de toekomst wel meegenomen.”

Na de synthese werd in het lab getest of de eigenschappen overeenkomen met de QSAR-voorspellingen. “We zijn positief gestemd”, zegt Van Wezel. “Er worden momenteel nog testen uitgevoerd om de vlamvertragende functie te bevestigen, maar de eerste resultaten tonen aan dat de werking behouden is gebleven, en wellicht zelfs verbeterd is.” Ook zijn meer testen nodig om de precieze bio-degradeerbaarheid vast te stellen. Slootweg: “We kijken daarbij bijvoorbeeld ook naar de invloed van licht. Niet alleen op het molecuul zelf, maar ook op de degradatieproducten. Die zouden onder invloed van licht uit elkaar kunnen vallen in stoffen die niet gewenst zijn. Dat wil je uitsluiten.”

Regelgevers

“Er is veel interesse voor dit werk vanuit de regelgevers”, aldus Van Wezel. “Zowel nationaal als internationaal kijkt men met belangstelling naar dit onderzoek.” Van Dijk: “De Europese Commissie ziet binnen de Chemicals Strategy for Sustainability safe and sustainable by design als een van de hoofdthema’s om mens en milieu te beschermen tegen chemische stoffen. Maar wat we precies verstaan onder safe and sustainable by design is nog niet duidelijk gedefinieerd. Vandaar de interesse in ons werk. Wij hebben het raamwerk laten zien waarbinnen je veilig en duurzaam een stof kun maken.”

Slootweg vindt het belangrijk om als wetenschapper via multidisciplinair onderzoek de industrie oplossingsrichtingen en methodieken aan te dragen over het ontwerpen van veilige en duurzame moleculen. “Door meerdere showcases te realiseren wordt safe and sustainable by design voor de industrie toegankelijk.”

Van Dijk zelf heeft binnen haar PhD geen ruimte voor vervolgonderzoek. “Maar er worden wel verschillende voorstellen geschreven die op dit werk voortborduren. Ook Hannah is begonnen met een PhD en gaat verder met onder andere dit onderzoek. Ze gaat nog verschillende eigenschappen testen in het lab. En daarna gaat ze kijken naar andere potentiële stoffen, en hoe we het proces verder kunnen optimaliseren.”


Safe and sustainable by design: A computer-based approach to redesign chemicals for reduced environmental hazards