Ponad 99 procent dzisiejszych tworzyw sztucznych pochodzi z ropy naftowej, ale stają się dostępne nowe opcje biologiczne. Ikony według rynku wektorów, Freepik i srip, CC BY

Co łączy Twój samochód, telefon, butelka po napojach i buty? Wszystkie są w dużej mierze wykonane z ropy naftowej. Ten nieodnawialny zasób zostaje przetworzony na wszechstronny zestaw chemikaliów zwanych polimerami - lub częściej tworzywami sztucznymi. Koniec 5 miliardów galonów ropy rocznie są przekształcane w same tworzywa sztuczne.

Polimery stoją za wieloma ważnymi wynalazkami ostatnich kilkudziesięciu lat 3D drukowanie. Tak zwane „konstrukcyjne tworzywa sztuczne”, stosowane w samochodach, budownictwie i meblach, mają doskonałe właściwości, a nawet pomagają rozwiązać problemy środowiskowe. Na przykład dzięki tworzywom konstrukcyjnym pojazdy są teraz lżejsze, dzięki czemu mają lepszy przebieg paliwa. Ale wraz ze wzrostem liczby zastosowań podobnie jak popyt na tworzywa sztuczne. Świat produkuje już ponad X milionów ton plastiku rocznie. Liczba może być sześciokrotnie większa niż 300.

Petro-plastiki nie są zasadniczo takie złe, ale są straconą szansą. Na szczęście istnieje alternatywa. Przejście z polimerów na bazie ropy naftowej na polimery na bazie biologicznej może zmniejszyć emisję węgla o setki milionów ton rocznie. Polimery biologiczne są nie tylko odnawialne i bardziej przyjazne dla środowiska w produkcji, ale mogą faktycznie mieć korzystny wpływ netto na zmiany klimatu, działając jako pochłaniacz węgla. Ale nie wszystkie biopolimery są sobie równe.

Biotworzywa nie są zależne od wierceń ropy naftowej, ponieważ węgiel pozyskują z CO? już w atmosferze. QiuJu Song / Shutterstock.com

Degradowalne biopolimery

Być może napotkałeś „bioplastiki”Wcześniej, zwłaszcza jako przybory jednorazowe - te tworzywa sztuczne pochodzą z roślin zamiast z oleju. Takie biopolimery wytwarza się przez podawanie cukrów, najczęściej z trzciny cukrowej, buraków cukrowych lub kukurydzy, do mikroorganizmów, które wytwarzają cząsteczki prekursorów, które można oczyścić i połączyć chemicznie ze sobą, tworząc polimery o różnych właściwościach.

Tworzywa pochodzenia roślinnego są lepsze dla środowiska z dwóch powodów. Po pierwsze, radykalnie zmniejsza się energia potrzebna do produkcji tworzyw sztucznych pochodzenia roślinnego - aż o 80 procent. Choć każda tona tworzyw sztucznych wytwarzanych z ropy naftowej generuje od 2 do 3 ton CO0.5, ilość tę można zredukować do około XNUMX tony COXNUMX. na tonę biopolimeru, a procesy są coraz lepsze.

Po drugie, tworzywa sztuczne pochodzenia roślinnego mogą ulegać biodegradacji, więc nie gromadzą się na wysypiskach śmieci.

Chociaż doskonale nadaje się do biodegradacji materiałów jednorazowych, takich jak plastikowe widelce, czasem ważniejsza jest dłuższa żywotność - prawdopodobnie nie chciałbyś, aby deska rozdzielcza samochodu powoli z czasem zmieniła się w kupę grzybów. Wiele innych aplikacji wymaga tego samego rodzaju odporności, takich jak materiały budowlane, urządzenia medyczne i sprzęt AGD. Biopolimery biodegradowalne również nie nadają się do recyklingu, co oznacza, że ​​więcej roślin musi być uprawianych i przetwarzanych w sposób ciągły, aby zaspokoić popyt.

Biopolimery jako magazyn węgla

Tworzywa sztuczne, bez względu na źródło, są głównie wykonane z węgla – około 80 procent wagowo. Chociaż tworzywa sztuczne ropopochodne nie wydzielają CO? podobnie jak spalanie paliw kopalnych, nie pomagają one również w sekwestracji nadmiaru tej gazowej substancji zanieczyszczającej – węgiel z ciekłej ropy naftowej jest po prostu przekształcany w stałe tworzywa sztuczne.

Z drugiej strony są biopolimery pochodzące z roślin, które wykorzystują fotosyntezę do konwersji CO2, wody i światła słonecznego na cukry. Kiedy te cząsteczki cukru przekształcają się w biopolimery, węgiel jest skutecznie zablokowany z atmosfery - o ile nie ulegają biodegradacji ani spaleniu. Nawet jeśli biopolimery trafią na wysypisko śmieci, nadal będą pełnić tę funkcję magazynowania węgla.

WSPÓŁ? zawiera tylko około 28 procent węgla na wagę, zatem polimery stanowią ogromny zbiornik, w którym magazynowany jest ten gaz cieplarniany. Gdyby obecne światowe roczne dostawy około 300 milionów ton polimerów w całości nie ulegały biodegradacji i były pochodzenia biologicznego, oznaczałoby to gigatonę – miliard ton – sekwestrowanego CO2.8, co stanowi około XNUMX procent obecne globalne emisje, W ostatnie sprawozdanieMiędzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu określił wychwytywanie, składowanie i ponowne wykorzystanie dwutlenku węgla jako kluczową strategię łagodzenia zmiany klimatu; polimery pochodzenia biologicznego mogłyby wnieść kluczowy wkład, aż do 20 procent emisji CO? usunięcie wymagane w celu ograniczenia globalnego ocieplenia do 1.5 stopnia Celsjusza.

Rynek nieulegających degradacji biopolimerów

Obecne strategie sekwestracji węgla, w tym składowanie geologiczne który pompuje CO? wydech pod ziemią lub rolnictwo regeneracyjne który magazynuje więcej węgla w glebie, opiera się w dużej mierze na polityce prowadzącej do pożądanych rezultatów.

Chociaż są to kluczowe mechanizmy łagodzenia zmiany klimatu, sekwestracja węgla w postaci biopolimerów może potencjalnie wykorzystać inny czynnik: pieniądze.

Konkurencja oparta wyłącznie na cenie stanowiła wyzwanie dla biopolimerów, ale wczesne sukcesy pokaż ścieżkę do większej penetracji. Jednym ekscytującym aspektem jest możliwość dostępu do nowych chemikaliów, których obecnie nie ma w polimerach ropopochodnych.

Butelki petro-plastikowe można poddać recyklingowi maksymalnie kilka razy. hans / pixabay, CC BY

Rozważ możliwość recyklingu. Niewiele jest tradycyjnych polimerów naprawdę nadaje się do recyklingu. Materiały te są najczęściej poddawane recyklingowi w dół, co oznacza, że ​​nadają się tylko do zastosowań o niskiej wartości, takich jak materiały budowlane. Jednak dzięki narzędziom inżynierii genetycznej i enzymatycznej właściwości takie jak pełna możliwość recyklingu - co pozwala na wielokrotne stosowanie materiału do tego samego zastosowania - od samego początku można projektować w biopolimery.

Biopolimery dzisiaj oparte są w dużej mierze na naturalnych produktach fermentacji niektórych gatunków bakterii, takich jak wytwarzanie kwasu mlekowego przez Lactobacillus - ten sam produkt, który zapewnia cierpkość kwaśnych piw. Choć stanowią one dobry pierwszy krok, nowe badania wskazują, że prawdziwa wszechstronność biopolimerów zostanie w najbliższych latach uwolniona. Dzięki do nowoczesna umiejętność inżynierii białek i modyfikacji DNA, niestandardowe projektowanie prekursorów biopolimerów jest teraz w zasięgu ręki. Dzięki niemu możliwy staje się świat nowych polimerów – materiałów, w których obecny jest CO? będzie znajdować się w bardziej użytecznej i wartościowej formie.

Zaczynają też powstawać samoloty z polimerów - kolejnym krokiem są biopolimery. Eric Salard / Wikimedia Commons, CC BY-SA

Aby spełnić to marzenie, potrzebne są dalsze badania. Chociaż wczesne przykłady są tutaj dzisiaj - podobnie jak częściowe Bio-Coca-Cola PlantBottle - bioinżynieria wymagana do uzyskania wielu najbardziej obiecujących nowych biopolimerów jest wciąż na etapie badań - jak odnawialna alternatywa dla włókna węglowego które mogą być stosowane we wszystkim, od rowerów po łopatki turbin wiatrowych.

Polityki rządowe wspierające sekwestrację dwutlenku węgla również pomogłyby w przyspieszeniu adopcji. Przy tego rodzaju wsparciu możliwe jest znaczne wykorzystanie biopolimerów do magazynowania węgla już w ciągu najbliższych pięciu lat - harmonogram, który może znacznie przyczynić się do rozwiązania kryzysu klimatycznego.

O Autorach

Joseph Rollin, Postdoctoral Researcher in Bioenergy, Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej oraz Jenna E. Gallegos, postdoctoral naukowiec w inżynierii chemicznej i biologicznej, Colorado State University

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon