Ponieważ polimery na bazie ropy naftowej zanieczyszczają nasze oceany i zaśmiecają nasze życie, naukowcy poszukują bardziej przyjaznych dla środowiska sposobów zaspokojenia popytu na trwałe, wszechstronne materiały. Flickr: zdjęcie Bo Eide (Flickr/Creative Commons) 

29 lipca 2015 — Los oceanów może spoczywać w zbiorniku ze stali nierdzewnej, który nie jest wielkości małej beczki po piwie. Wewnątrz genetycznie zmodyfikowane bakterie zamieniają syrop kukurydziany w ubijaną masę polimerów, które można wykorzystać do produkcji szerokiej gamy popularnych tworzyw sztucznych.

„To trochę jak robienie jogurtu”, mówi Oliver Peoples, dyrektor ds. naukowych Metabolix, Inc.

Firma z Cambridge w stanie Massachusetts, w której biotworzywa nabierają kształtu w komorach fermentacyjnych w skali laboratoryjnej, jest jedną z rosnącej liczby firm i instytucji pracujących nad opracowaniem konkurencyjnych cenowo, bardziej przyjaznych dla środowiska zamienników konwencjonalnych tworzyw sztucznych, które są wytwarzane z paliw kopalnych, zawodzą rozkładają się i zamieniają nasze oceany w morza pływającego plastiku.

„Widzieliśmy ten ogromny wzrost produkcji tworzyw sztucznych, który powoduje również wzrost strumienia odpadów” – mówi Jenna Jambeck, członek wydziału inżynierii środowiska na Uniwersytecie Georgia. „W przeciwieństwie do materiału, który ulega biodegradacji, plastik ma wszystkie te problemy. Łatwo przemieszcza się do cieków wodnych, fizycznie rozpada się na mniejsze kawałki, które są niezwykle trudne lub niemożliwe do zebrania, i [ma tendencję do] wchłaniania zanieczyszczeń chemicznych, które już znajdują się w środowisku”.

Około 4.8 miliona do 12.7 miliona ton plastiku (5.3 miliona do 14 milionów ton) plastiku, czyli do 4% z około 300 milionów ton (330 milionów ton) plastiku produkowanego każdego roku, trafiło do oceanu jako śmieci w 2010 roku. Oczekuje się, że liczba ta wzrośnie 10-krotnie w ciągu następnej dekady, w miarę produkcji większej ilości plastiku, a następnie uchylania się od gospodarowania odpadami i wysiłków związanych z recyklingiem, zgodnie z badaniem Jambeck i współpracownicy opublikowane w tym roku w dzienniku nauka.

Jaki wpływ ma cały ten plastik na żywe organizmy, w tym ludzi, pozostaje niejasna. Wiele niedawnych badań pokazuje, że chemikalia w małych kawałkach plastiku, a nawet w samych kawałkach plastiku, mogą gromadzić się w ptakach, rybach i innych organizmach morskich. Testy laboratoryjne wykazały, że substancje chemiczne, które je zawierają, mogą powodować niekorzystne skutki zdrowotne, w tym uszkodzenie wątroby i zaburzenie hormonalne poprzez zmienioną ekspresję genów. Nie wiadomo, czy podobne efekty występują poza laboratorium, czy też rozciągają łańcuch pokarmowy na ludzi jedzących organizmy morskie, ale oba wydają się całkowicie prawdopodobne.

I to nie wszystko. Tworzywa sztuczne są również znane w dziale gazów cieplarnianych. Około 8 procent ropy naftowej zużywanej co roku na całym świecie trafia do bezpośredniej produkcji plastiku lub do zasilania procesów produkcyjnych tworzyw sztucznych, zgodnie z ostatni raport Worldwatch Institute.

„Chociaż ludzie czują, że woleliby używać mniej plastiku niż więcej, faktem jest, że tworzywa sztuczne są nowoczesnymi materiałami, które sprawiają, że samochody są lżejsze, oczyszczają wodę i zapewniają ogromne korzyści w zastosowaniach związanych z ochroną zdrowia i bezpieczeństwem”. — Marc HillmyerDlaczego nie ograniczyć naszego zużycia? Po pierwsze, tworzywa sztuczne są niezwykle wszechstronne, spełniają szereg potrzeb w zakresie elastyczności, kosztów i innych parametrów, którym trudno byłoby sprostać materiałom zastępczym. Nie tylko to, ale także materiały zastępcze mają swój negatywny wpływ na środowisko, społeczeństwo i zdrowie.

„Chociaż ludzie czują, że woleliby używać mniej plastiku niż więcej, faktem jest, że tworzywa sztuczne są nowoczesnymi materiałami, które sprawiają, że samochody są lżejsze, oczyszczają wodę i zapewniają ogromne korzyści w zastosowaniach związanych ze zdrowiem i bezpieczeństwem”, mówi Marc Hillmyer. dyrektor Centrum Zrównoważonych Polimerów na Uniwersytecie Minnesota w Minneapolis.

Innymi słowy, istnieją solidne powody, aby poszukiwać bardziej zrównoważonych alternatyw dla konwencjonalnych tworzyw sztucznych — a mianowicie tworzyw roślinnych. Takie tak zwane biotworzywa mogą ulegać degradacji, co radykalnie zmniejsza ryzyko, że zanieczyszczą ląd lub morze. Zmniejszają również naszą zależność od paliw kopalnych, zmniejszając ślad węglowy plastiku. Według niedawna analiza cyklu życia plastiku na bazie kukurydzy i ropy naftowej przez naukowców z Michigan State University.

Wschodzące alternatywy

Znalezienie nieopartych na ropie naftowej, rozkładających się alternatyw dla dzisiejszych tworzyw sztucznych nie jest jednak łatwe. Plastik wykonany z kukurydzy, trzciny cukrowej lub innego materiału roślinnego niekoniecznie ulega degradacji, a degradacja może być trudna.

„Nie chcesz, aby twoja plastikowa torba uległa degradacji podczas jej używania”, mówi Hillmyer. „Z drugiej strony chcesz, aby szybko się degradował, gdy zostanie umieszczony w innym środowisku”.

Chociaż chemicy mieli trudności z przeformułowaniem tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej, aby mogły ulegać degradacji, pojawia się szereg bio-rozkładalnych alternatyw.

Pomimo tych i innych niedawnych sukcesów, biotworzywa pozostają niewielką częścią całej branży. Natureworks, firma z siedzibą w Minnetonce w stanie Minnesota, jest jednym z wiodących światowych producentów biotworzyw. Firma wytwarza kwas polimlekowy (PLA), biodegradowalny plastik, który pozyskuje ze skrobi kukurydzianej i przetwarza na szeroką gamę produktów konsumenckich – w tym jednorazowe sztućce, kubki i opakowania – które rozkładają się pod koniec okresu użytkowania. Początkowy zakład produkcyjny firmy w Blair w stanie Nebraska został uruchomiony w 2002 roku i może produkować 140,000 150,000 ton metrycznych (XNUMX XNUMX ton) PLA rocznie. Firma ogłosiła niedawno plany otwarcia drugiego zakładu w Azji Południowo-Wschodniej, który będzie wykorzystywał trzcinę cukrową jako surowiec.

Innym wiodącym producentem bioplastików jest firma Coca-Cola, która w 2009 roku wprowadziła na rynek PlantBottle, butelkę do napojów wykonaną z politereftalanu etylenu — PET — która zawiera do 30 procent materiału pochodzenia biologicznego. Butelki nie ulegają degradacji, ale w przeciwieństwie do większości tworzyw sztucznych pochodzenia biologicznego, można je poddać recyklingowi wraz z konwencjonalnym PET, powszechnie stosowanym tworzywem sztucznym z recyklingu. Od 2009 roku firma wyprodukowała 35 miliardów swoich oryginalnych butelek PlantBottles. W czerwcu 2015 roku firma zaprezentowała nową wersję, która jest w 100 procentach oparta na biotechnologii.

Pomimo tych i innych niedawnych sukcesów, biotworzywa pozostają niewielką częścią całej branży. Materiały te doskonale nadają się do produktów jednorazowego użytku, takich jak łyżki i butelki, w przypadku których konsumenci są gotowi zapłacić wyższą cenę za bardziej zrównoważone produkty. Wysoka trwałość, mniej widoczne zastosowania — na przykład rury wodociągowe wykonane z PVC, które są powszechnie stosowane w instalacjach mieszkaniowych i komercyjnych — nadal są wykonane w całości z konwencjonalnego tworzywa sztucznego. Według Society of the Plastics Industry, branżowej grupy handlowej z siedzibą w Waszyngtonie, w sumie mniej niż 0.5 procent wszystkich tworzyw sztucznych pochodzi ze źródeł innych niż ropopochodne

Jednak regulacje rządowe prowadzą do zwiększonego wykorzystania biotworzyw. W 2014 roku Illinois zakazało stosowania mikrokulek, maleńkich plastikowych materiałów ściernych powszechnie stosowanych w peelingach do twarzy, szamponach i pastach do zębów, z powodu obaw o degradację środowiska w Wielkich Jeziorach. Mikrokulki o średnicy mniejszej niż jeden milimetr są zbyt małe, aby mogły być filtrowane przez systemy oczyszczania ścieków i zostały znalezione zarówno w środowiskach słodkowodnych, jak i morskich.

Do towarów konsumpcyjnych, które można wyprodukować z biodegradowalnego PHA, należą torby, przybory i osłony kabli elektrycznych. Zdjęcie dzięki uprzejmości Metabolix.

W związku z przewidywanym federalnym zakazem stosowania mikrokulek, w marcu Metabolix nawiązał współpracę z Honeywell, aby wyprodukować biodegradowalną alternatywę dla mikrokulek. Mikrokulki, które opracowują obie firmy, są wykonane z polihydroksyalkanolanów, czyli PHA, tworzywa sztucznego na bazie biologicznej, które jest droższe, ale także bardziej uniwersalne niż PLA. Mikrokulki, które opracowują obie firmy, są wytwarzane przez fermentację skrobi kukurydzianej, chociaż można je również wytwarzać z roślin niespożywczych, takich jak proso prosa. Według Peoples mikrokulki PHA w ciągu kilku miesięcy rozłożą się na dwutlenek węgla i wodę w takim samym tempie jak celuloza czy papier.

Wokół dolnych stron

Ponieważ zwiększamy naszą zależność od tworzyw sztucznych pozyskiwanych z upraw takich jak kukurydza czy trzcina cukrowa, możemy nieumyślnie wprowadzać nowe kwestie środowiskowe. Ostatnie badanie w czasopiśmie Czystsza produkcja zauważył biotworzywa wyhodowane z surowców rolniczych używać znacznych ilości wody, pestycydów i nawozów które mogą powodować zanieczyszczenie powietrza i wody oraz konkurować o ziemię z roślinami uprawianymi na żywność.

Jednym z możliwych sposobów obejścia wad tworzyw sztucznych pochodzenia roślinnego przy jednoczesnym zmniejszeniu zależności od ropy naftowej jest użycie CO₂ jako surowiec. Novomer, firma wyłoniona z badań na Cornell University w Ithaca w stanie Nowy Jork, przetwarza odpady CO₂ z zakładów produkujących etanol do plastiku. Firma produkuje poliole — polimery wykorzystywane do wytwarzania elastycznej pianki znajdującej się w materacach, poduszkach siedzeń i izolacji, a także szereg specjalistycznych powłok i uszczelniaczy.

„Gdyby Twój materac był wykonany z naszego materiału, stanowiłby on około 22 procent wagowych dwutlenku węgla”, mówi Peter Shepard, wiceprezes wykonawczy Novomer ds. polimerów. "Wykorzystuje gaz cieplarniany, który jest materiałem odpadowym, i zamienia go w cenny produkt”.

Zazwyczaj CO₂ jest zbyt obojętny, aby reagować z innymi związkami, co utrudnia jego zastosowanie w tworzywach sztucznych lub innych zastosowaniach. Geoffrey Coates, profesor chemii na Cornell University w Itace i współzałożyciel Novomer, opracował katalizator, który zwiększa reaktywność CO₂ jednocześnie spowalniając reaktywność innego kluczowego składnika poliolowego – ułatwiając włączenie CO₂ w powstały polimer.

„To tak, jakbyś miał dzieci i dał im pizzę i brokuły i powiedział im za każdym razem, gdy kęs pizzy, że musisz wziąć kęs brokułów”, mówi Coates, który jest również członkiem Centrum Zrównoważonych Polimerów .

Największym wyzwaniem dla biotworzyw jest to, że konkurują one z konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi, niewiarygodnie tanimi materiałami, które były udoskonalane przez ostatnie 60 lat, mówi Scheer. Poliole wytwarzane przez Novomer są degradowalne, ale tracą swoją zdolność degradacji w połączeniu z chemikaliami na bazie ropy naftowej do produkcji pianka.

Chociaż firma koncentruje się obecnie na produkcji pianek i uszczelniaczy, Shepard mówi, że CO . firmy Novomer₂polimery na bazie mogą być używane do wytwarzania degradowalnych tworzyw sztucznych z CO₂ zawartość aż 50 procent.

Największe wyzwanie

Pomimo silnego wzrostu w ostatnich latach, niektórzy twierdzą, że biotworzywa nie wykorzystały swojego potencjału.

„Przemysł biotworzyw nie był w stanie stworzyć polimerów, które są wystarczająco atrakcyjne pod względem ceny i właściwości, które sprawią, że świat będzie skłonny do zmian”, mówi Frederick Scheer, były dyrektor generalny Cereplast, niegdyś wiodącej firmy produkującej biotworzywa. który ogłosił upadłość w 2014 roku.

Największym wyzwaniem dla biotworzyw jest to, że konkurują one z konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi, niewiarygodnie niedrogimi materiałami, które były udoskonalane przez ostatnie 60 lat, mówi Scheer.

„Ludzie są nieco świadomi wpływu na środowisko materiałów na bazie ropy, które nie ulegają biodegradacji, ale nie są skłonni wydawać dodatkowych dolarów na promowanie [nowych] rodzajów materiałów” – mówi.

Konkurencja z plastikiem na bazie ropy naftowej nasiliła się dopiero w ciągu ostatniego roku, ponieważ cena ropy spadła o połowę. „Aby być konkurencyjnym w stosunku do tradycyjnego materiału na bazie ropy naftowej, potrzebowaliśmy ceny ropy na około 130, 140 dolarów za baryłkę”, mówi Scheer. „Oczywiście, przy 50 USD za baryłkę jesteśmy dalecy od możliwości konkurowania”.

Scheer mówi, że istnieje możliwość wyprodukowania całego światowego plastiku ze źródeł innych niż ropopochodne, ale wymagałoby to znacznego wsparcia rządowego. „Będzie to musiało być napędzane przez regulacje, które zmuszą koszt plastiku i koszt ropy do znacznie wyższych niż obecnie”, mówi.

Konkurent polietylenu?

Jeśli zrównoważone tworzywa sztuczne, które zmniejszają naszą zależność od paliw kopalnych i ulegają degradacji pod koniec okresu użytkowania, wejdą do głównego nurtu, będą musiały być w stanie zastąpić nie tylko mikrokulki, pianki i inne specjalistyczne zastosowania, ale także tworzywa termoplastyczne — niskie -kosztowne, nadające się do kształtowania polimery, które stanowią ponad 80 procent z setek milionów ton plastiku produkowanych każdego roku.

Firma Coates pracuje obecnie nad nowym biopolimerem o właściwościach porównywalnych, a może nawet lepszych niż polietylen, najpowszechniej produkowany materiał termoplastyczny używany do produkcji wszystkiego, od worków na śmieci, przez butelki na wodę, po plastikowe zabawki.

Nawet cienka warstwa polietylenu jest niesamowicie wytrzymała, dzięki czemu na przykład koperty pocztowe są prawie niemożliwe do otwarcia bez nożyczek lub dzbanków na mleko, które nie pękają po upuszczeniu na podłogę. „Większość wynika z tego, że jest to materiał półkrystaliczny” — mówi Coates. „Łańcuchy [polimerowe] pakują się obok siebie w bardzo ciasny i specyficzny sposób, co ogólnie daje imponujące właściwości”.

W Badanie z 2014 r. opublikowane w Journal of American Chemical SocietyCoates i współpracownicy z Cornell opisali nowy materiał o strukturze półkrystalicznej, który jest wytwarzany z surowca cukrowego i ma właściwości podobne do polietylenu, ale lepiej rozkłada się pod koniec okresu użytkowania.

„To nie dzieje się z dnia na dzień, ale myślę, że istnieją pewne pozytywne [wskazania, że] może być prawdziwym konkurentem dla plastiku takiego jak polietylen”, mówi Hillmyer.

Nowy materiał, znany jako poli(bursztynian polipropylenu), nie został przetestowany pod kątem szybkiego rozkładu na wysypisku lub w środowisku morskim. Jednak biorąc pod uwagę jego skład, Coates twierdzi, że powinien zacząć ulegać degradacji w wodzie po kilku miesiącach, okresie, który przekroczyłby żywotność większości produktów jednorazowego użytku. Poli(bursztynian polipropylenu) rozkłada się na glikol propylenowy i kwas bursztynowy, nietoksyczne materiały, które są dalej redukowane do CO₂ i woda po spożyciu przez drobnoustroje.

„Gdybyś musiał jeść produkty degradacji polimerów, to byłyby te, których chcesz” – mówi Coates.

Jest mało prawdopodobne, że poli(bursztynian polipropylenu) będzie kiedykolwiek kosztował mniej w przeliczeniu na funt za funt niż konwencjonalny polietylen, ale jego unikalna struktura krystaliczna sugeruje, że może działać lepiej niż jego odpowiednik naftowy. Jeśli tak, to producenci biotworzyw mogą kiedyś być w stanie konkurować z dzisiejszym przemysłem tworzyw sztucznych, wytwarzając takie rzeczy jak dzbanki na mleko ze znacznie mniejszej ilości materiału niż tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej.

Bitwa pod górę

Bez szerokich przepisów rządowych, które nakładają cenę na węgiel lub wymagają biodegradacji wszystkich tworzyw sztucznych, biotworzywa będą musiały znaleźć sposoby na konkurowanie z konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi, jeśli kiedykolwiek będą wypełniać więcej niż zastosowania niszowe.

To trudna bitwa — ale coraz bardziej wygrywa inny niegdyś niszowy produkt, panel słoneczny.

W 2007 roku energia słoneczna stanowiła mniej niż 0.1 procent produkcji energii elektrycznej w USA. Dzięki pomysłowości i innowacjom cena modułów fotowoltaicznych spadła z 4 USD za wat do 0.50 USD za wat, dzięki czemu energia słoneczna jest najszybciej rosnącym źródłem energii elektrycznej w kraju.

Czy osoby pracujące nad biotworzywami mogą zobaczyć podobną zmianę? Ostatecznie, wiele prawdopodobnie będzie zależeć nie tylko od tego, jak dobrze ich produkty się psują, ale także od tego, jak bardzo mogą zepsuć przewagę konkurencyjną konwencjonalnego plastiku.

O autorze

Phil McKenna jest niezależnym pisarzem zainteresowanym konwergencją fascynujących osób i intrygującymi pomysłami. Pisze przede wszystkim o energii i środowisku, koncentrując się na osobach stojących za wiadomościami. Jego praca pojawia się w Połączenia New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER i NOVA, gdzie jest redaktorem.

Artykuł pierwotnie pojawił się na Ensia

Powiązana książka:

at

Dzięki za odwiedziny InnerSelf.com, gdzie są 20,000 + zmieniające życie artykuły promujące „Nowe postawy i nowe możliwości”. Wszystkie artykuły są tłumaczone na 30+ języków. Zapisz się! do wydawanego co tydzień magazynu InnerSelf i Daily Inspiration Marie T Russell. Magazyn InnerSelf ukazuje się od 1985 r.