Spinrag combineert eigenschappen die heel moeilijk zijn na te maken. Men zegt dat het 340 keer zo sterk is als staal; en we kunnen ook horen dat een net, geweven van spinrag met een dikte van 1 cm, een Boeing 747 in volle vlucht zou kunnen tegenhouden. En toch is spinrag alleen gemaakt uit eiwitten. Een van de bedrijven die kunstmatig spinrag maakt is het Japanse Spiber.
Dit is het tweede artikel in een serie over kunstmatige zijde. De artikelen werden gepubliceerd op 16 december en 28 december 2017, en 4 januari 2018.
Een revolutie in productiemethoden
Kunstmatig spinrag, dit ‘taaiste materiaal ter wereld,’ aldus de website van Spiber, ‘is nog maar een klein stukje van wat eiwitten ons te bieden hebben. Door slimme combinaties van de 20 soorten aminozuren kunnen we eindeloze variaties maken in materialen, met unieke, nooit vertoonde flexibiliteit. We hebben meer dan 600 soorten natuurlijke eiwitten ontworpen en gesynthetiseerd, waarbij we hun eigenschappen nauwkeurig hebben onderzocht en daarbij geweldig veel gegevens hebben verzameld. In de nabije toekomst zullen eiwitten veel toepassingen vinden als industrieel materiaal, net als metalen, glas en plastics vandaag de dag.’
Maar voordat Spiber zijn kunstmatig spinrag op de markt kan brengen, moeten ze een enorme kostenbarrière doorbreken. Zoals zij zeggen, ‘het fermentatieproces maakt gebruik van micro-organismen om recombinant eiwitten te maken, en vroeger dacht men dat dit nooit tegen een kostprijs van minder dan $ 100 per kilo zou kunnen. Aan de andere kant zei men altijd in de markt van materialen dat de drempel voor grootschalige toepassing van een materiaal – natuurlijk of synthetisch – zou liggen bij $ 20-30 per kilo. En om de massamarkt met een omzet van $ 10 miljard of hoger te bereiken, zouden de kosten moeten dalen tot lager dan $ 10 per kilo. De kloof tussen de kostprijs van eiwitten gemaakt via fermentatie, en wat nodig is voor massa-toepassing is enorm, en er is een zeer grote investering nodig om een nieuwe markt te betreden. Door dat alles is er maar weinig aandacht geweest voor onderzoek naar recombinant eiwitmateriaal.’
Kunstmatig spinrag vereist innovatieve oplossingen
Spiber heeft een innovatiecyclus van vijf stappen opgezet waarmee steeds betere kwaliteiten kunstmatig spinrag wordt gemaakt. Deze cyclus begint met moleculair ontwerp: ontwerpen van reeksen aminozuren op basis van bio-informatica, waarmee betere trekkracht, elasticiteit en hittebestendigheid worden verkregen. De tweede stap bestaat uit de synthese van genen die aminozuren in de gewenste volgorde zetten. Dan microbiële fermentatie. Het gesynthetiseerde DNA wordt ingebracht bij micro-organismen. Proeven met spinnen van het materiaal kunnen binnen 10 dagen na het aanbrengen van de genen beginnen, als fermentatie en zuivering precies zijn afgesteld. De vierde stap is het spinnen. De vezelachtige eiwitten gevormd door microbiële fermentatie worden gezuiverd en gesponnen. Spiber heeft een schaalbaar proces ontwikkeld, dat de weg baant voor massaproductie van kunstmatig spinrag. Tenslotte: proefproductie. Spiber maakt textiel en composieten van hun nieuwe materialen; zij kijken naar hun productiviteit en functionaliteit. Deze gegevens voeren zij terug in de volgende generatie moleculair ontwerp, waarna een nieuwe cyclus begint. Volgens hun website zijn ze nu in hun twaalfde innovatiecyclus. Sinds ze met onderzoek van het fermentatieproces zijn begonnen, hebben ze de productiviteit verhoogd met een factor 4.500 en de productiekosten verlaagd met een factor 53.000. Spiber claimt dat ze spoedig de kostendrempel van ‘exponentiële groei’ overgaan.
De markt waarop kunstmatig spinrag het eerst kan doordringen is buitenkleding. Kleding is een ongelooflijk grote markt met een omzet van ongeveer 2 biljoen dollar. Bovendien is de productcyclus heel snel. Buitenkleding zou heel geschikt kunnen zijn voor hun eiwitmaterialen, omdat hierbij grote prestaties en laag milieueffect absolute vereisten zijn. Samen met The North Face heeft Spiber een nieuwe parka ontwikkeld gemaakt van kunstmatig spinrag. Zij noemden dit historische prototype de MOON PARKA™. Het is ontworpen om bescherming te bieden in de barre omstandigheden en de bittere kou van de Zuidpool. Het buitenmateriaal heeft de natuurlijke kleur van het web van de gouden zijdespin, door de makers ‘Moon Gold’ genoemd. Het prototype werd in 2016 tentoongesteld in het Toyota Gemeentelijke Kunstmuseum in Aichi, Japan.
Een technologische droom die werkelijkheid wordt
Kunstmatig spinrag was lange tijd een technologische droom. Het ziet er nu naar uit dat de mensheid die droom snel gaat verwezenlijken. Volgens professor Jan van Hest van de TU Eindhoven is de laatste ontwikkeling dat onderzoekers zijderupsen genetisch hebben veranderd zodat deze nieuwe zijdeachtige materialen maken. Ze zijn erin geslaagd, daarbij een tussenproduct te ontwikkelen dat het midden houdt tussen rupsenzijde en spinrag. Dit zal de industriële ontwikkeling van daarmee gemaakte producten vergemakkelijken. We zullen nog veel horen van kunstmatige zijde en kunstmatig spinrag.
Interessant? Lees dan ook:
PHA: veelbelovend, veelzijdig, biologisch afbreekbaar
Nanocomposieten, precisiematerialen
Mycelium, het groenst mogelijke materiaal