Da oliebaserede polymerer ødelægger vores oceaner og affald vores liv, søger forskere mere miljøvenlige måder at imødekomme efterspørgslen efter holdbare, alsidige materialer. Flickr: Foto af Bo Eide (Flickr / Creative Commons)
29. juli 2015 - Verdens skæbnes skæbne kan hvile inde i en tank i rustfrit stål, der ikke er lige så stor som en lille øltønde. Indvendigt omdanner genetisk modificerede bakterier majssirup til en svær masse af polymerer, der kan bruges til at producere en bred vifte af almindelig plast.
”Det er lidt som at lave yoghurt,” siger Oliver Peoples, videnskabelig chef for Metabolix, Inc.
Cambridge, Massachusetts-baserede virksomhed, hvor bioplast tager form i fermenteringskamre i laboratorieskala, er en af et voksende antal virksomheder og institutioner, der arbejder for at udvikle omkostningskonkurrencedygtige, mere miljøvenlige erstatninger for konventionel plast, der er lavet af fossile brændstoffer, fejler. at nedbryde og forvandle vores have til hav af flydende plast.
”Vi har set denne enorme stigning i produktion af plastik, der også resulterer i en stigning i affaldsstrømmen,” siger Jenna Jambeck, et miljøteknisk fakultetsmedlem ved University of Georgia. ”I modsætning til materiale, der biologisk nedbrydes, har plast alle disse problemer. Det bevæger sig let ind i vandveje, det fragmenteres fysisk i mindre stykker, som er ekstremt hårde eller umulige at samle op, og [det har tendens til] at absorbere kemiske forurenende stoffer, der allerede er i miljøet. ”
Omkring 4.8 millioner til 12.7 millioner tons plast (5.3 millioner til 14 millioner tons) plast eller op til 4 procent af de ca. 300 millioner tons (330 millioner ton) plast, der produceres hvert år, kom ind i havet som affald i 2010. Ifølge en undersøgelse Jambeck og kolleger forventes tallet at blive 10 gange det næste årti, efterhånden som der produceres mere plastik og derefter undgår affaldshåndtering og genanvendelsesindsats. offentliggjort tidligere på året i tidsskriftet Videnskab.
Hvilken effekt har al denne plastik på levende ting, inklusive mennesker, forbliver uklart. En række nylige undersøgelser viser, at kemikalier i små plaststykker og endda plastikbitene i sig selv kan akkumuleres i fugle, fisk og andet havliv. Laboratorietest har vist, at de kemikalier, der udgør dem, kan medføre skadelige helbredseffekter, herunder leverskader og hormonforstyrrelse gennem ændret genekspression. Om lignende virkninger opstår uden for laboratoriet, eller om de strækker sig op ad fødekæden til mennesker, der spiser marine organismer, forbliver ukendt, men alligevel virker begge helt sandsynlige.
Og det er ikke alt. Plast er også berygtet i drivhusgasafdelingen. Omkring 8 procent af den olie, der anvendes verden over hvert år, går til at fremstille plast direkte eller til at drive plastfremstillingsprocesserne ifølge en nylig rapport fra Worldwatch Institute.
"Selvom folk føler, at de gerne vil bruge mindre plastik snarere end mere, er det faktum, at plast er moderne materialer, der gør biler lettere, renser vand og tilføjer en enorm fordel for sundheds- og sikkerhedsapplikationer." - Marc Hillmyer Hvorfor ikke bare reducere vores brug? For det første er plast utroligt alsidigt og imødekommer et spektrum af behov for fleksibilitet, omkostninger og andre parametre, der erstatter materialer, ville være vanskelige at matche. Ikke kun det, men erstatningsmaterialer har deres egne negative miljømæssige, sociale og sundhedsmæssige påvirkninger.
"Selvom folk føler, at de gerne vil bruge mindre plastik snarere end mere, er det faktum, at plast er moderne materialer, der gør biler lettere, renser vand og tilføjer en enorm fordel for sundheds- og sikkerhedsapplikationer," siger Marc Hillmyer, direktør for Center for Bæredygtige Polymerer ved University of Minnesota i Minneapolis.
Der er med andre ord solide grunde til at forfølge mere bæredygtige alternativer til konventionel plast - nemlig plantebaseret plast. Sådanne såkaldte bioplaster er i stand til at nedbrydes, hvilket dramatisk reducerer risikoen for, at de ender med at forurenende land eller hav. De mindsker også vores afhængighed af fossile brændstoffer, hvilket reducerer plastens kulstofaftryk. Drivhusgasemissioner forbundet med bioplast er 26 procent lavere end dem, der er forbundet med konventionel plast, ifølge en nylig livscyklusanalyse af majsbaseret og oliebaseret plast af forskere ved Michigan State University.
Nye alternativer
At finde ikke-oliebaserede, nedbrydelige alternativer til nutidens plast er imidlertid ikke let. Plast fremstillet af majs, sukkerrør eller andet plantebaseret materiale er ikke nødvendigvis nedbrydeligt, og det kan være vanskeligt at få nedbrydning, når du vil have det.
”Du vil ikke have, at din plastikpose nedbrydes, mens du bruger den,” siger Hillmyer. "På den anden side vil du have, at det nedbrydes hurtigt, når det placeres i et andet miljø."
Mens kemikere har haft svært ved at reformulere oliebaseret plast, så de kan nedbrydes, opstår der et antal biobaserede, nedbrydelige alternativer.
På trods af disse og andre nylige succeser forbliver bioplast en lille del af branchen som helhed. Natureworks, et firma med base i Minnetonka, Minnesota, er en af verdens førende producenter af bioplast. Virksomheden fremstiller polymælkesyre eller PLA, en biologisk nedbrydelig plast, som den stammer fra majsstivelse og fremstiller til en bred vifte af forbrugerprodukter - inklusive bestik til engangsbrug, kopper og emballage - der nedbrydes i slutningen af deres brugstid. Virksomhedens oprindelige produktionsanlæg i Blair, Nebraska, kom online i 2002 og kan producere 140,000 ton PLA om året. Virksomheden annoncerede for nylig planer om at åbne et andet anlæg i Sydøstasien, der vil bruge sukkerrør som råmateriale.
En anden førende producent af bioplast er Coca-Cola Company, som i 2009 lancerede PlantBottle, en drikkeflaske fremstillet af polyethylenterephthalat — PET - der indeholder op til 30 procent biobaseret materiale. Flaskerne er ikke nedbrydelige, men kan i modsætning til de fleste biobaserede plastik genbruges sammen med konventionel PET, en almindeligt genanvendt plast. Siden 2009 har virksomheden produceret 35 milliarder af sine originale PlantBottles. I juni 2015 afslørede virksomheden en ny version, der er 100 procent biobaseret.
På trods af disse og andre nylige succeser forbliver bioplast en lille del af branchen som helhed. Materialerne er velegnede til engangsprodukter såsom skeer og flasker, hvor forbrugerne er villige til at betale en præmie for mere bæredygtige produkter. Høj holdbarhed, mindre synlige applikationer - for eksempel vandrør fremstillet af PVC, der almindeligvis anvendes i bolig- og kommerciel VVS - er stadig udelukkende fremstillet af konventionel plast. I alt kommer mindre end 0.5 procent af al plast fra ikke-petroleumskilder, ifølge Society of the Plastics Industry, en industrihandelsgruppe med base i Washington, DC
Regeringens regulering fører imidlertid til øget brug af bioplast. I 2014 forbød Illinois mikroperler, små plastikslibemidler, der almindeligvis anvendes i ansigtsskrubb, shampoo og tandpasta, på grund af bekymring for miljøforringelse i de store søer. Ved mindre end en millimeter i diameter er mikroperler for små til at blive filtreret af spildevandsbehandlingssystemer og er fundet i både ferskvands- og havmiljø.
Forbrugsvarer, der kan fremstilles af biologisk nedbrydeligt PHA, inkluderer poser, redskaber og elektriske kabeljakker. Foto med tilladelse til Metabolix.
Med et føderalt forbud mod mikrokugler forventet, indgik Metabolix et samarbejde med Honeywell i marts for at producere et biologisk nedbrydeligt alternativ til mikrokugler Mikroperlerne, som de to virksomheder udvikler, er lavet af polyhydroxyalkanoater eller PHA, en biobaseret plast, der er dyrere, men også mere alsidig end PLA. Mikroperlerne, som de to virksomheder udvikler, er fremstillet ved gæring af majsstivelse, skønt de også kunne fremstilles af ikke-fødevareafgrøder som switchgræs. PHA-mikroperler nedbrydes til kuldioxid og vand i løbet af få måneder med samme hastighed som cellulose eller papir, siger Peoples.
Rundt ned ad siderne
Når vi øger vores afhængighed af plast fra afgrøder som majs eller sukkerrør, kunne vi utilsigtet introducere nye miljøhensyn. En nylig undersøgelse i tidsskriftet Renere produktion bemærkede bioplast vokset fra landbrugsfoderstoffer brug betydelige mængder vand, pesticider og gødning der kan forårsage luft- og vandforurening og konkurrere om jord med afgrøder dyrket til mad.
En mulig måde at komme rundt på undersiden af plantebaseret plast, mens man stadig reducerer afhængigheden af råolie, er at bruge CO2 som et råmateriale i stedet. Novomer, et firma, der er spundet ud af forskning ved Cornell University i Ithaca, New York, omdanner CO til affald2 fra ethanolproduktionsanlæg til plast. Virksomheden fremstiller polyoler - polymerer, der bruges til at fremstille fleksibelt skum, der findes i madrasser, sædehynder og isolering samt en række specialbelægninger og fugemasser.
"Hvis din madras var lavet med vores materiale, ville det være omkring 22 vægtprocent kuldioxid," siger Peter Shepard, Novomers administrerende vicepræsident for polymerer. "Det tager en drivhusgas, der er affaldsmateriale, og gør det til et værdifuldt produkt. ”
Typisk CO2 er for inert til at reagere med andre forbindelser, hvilket gør brugen af den i plast eller andre anvendelser vanskelig. Geoffrey Coates, kemiprofessor ved Cornell University i Ithaca og medstifter af Novomer, udviklede en katalysator, der øgede reaktiviteten af CO2 samtidig med at en anden vigtig polyolbestanddel nedsætter reaktiviteten - hvilket gør det lettere at inkorporere CO2 ind i den resulterende polymer.
"Det er som hvis du har børn, og du giver dem pizza og broccoli, og du fortæller dem hver gang du tager en bid pizza, skal du tage en bid broccoli," siger Coates, som også er medlem af Center for Bæredygtige Polymerer .
Den største udfordring for bioplast er, at de konkurrerer mod konventionel plast, utroligt billige materialer, der er blevet finpudset i de sidste 60 år, siger Scheer. Polyolerne fremstillet af Novomer er nedbrydelige, men mister deres nedbrydelighed, når de kombineres med oliebaserede kemikalier for at gøre skum.
Selvom virksomheden i øjeblikket er fokuseret på fremstilling af skum og fugemasse, siger Shepard Novomers CO2-baserede polymerer kunne bruges til at fremstille nedbrydeligt plast med en CO2 indhold så højt som 50 procent.
Største udfordring
På trods af stærk vækst i de senere år siger nogle, at bioplast ikke har levet op til deres potentiale.
"Bioplastindustrien har ikke været i stand til at skabe polymerer, der er attraktive nok med hensyn til prisfastsættelse og med hensyn til egenskaber, der vil gøre verden villig til at ændre sig," siger Frederick Scheer, den tidligere administrerende direktør for Cereplast, en engang førende bioplastvirksomhed der erklærede konkurs i 2014.
Den største udfordring for bioplast er, at de konkurrerer mod konventionel plast, utroligt billige materialer, der er finpudset i de sidste 60 år, siger Scheer.
”Folk er noget bevidste om miljøpåvirkningen af oliebaserede materialer, der ikke nedbrydes biologisk, men de er ikke villige til at bruge de ekstra dollars på at skubbe [nye] typer af materialer,” siger han.
Konkurrencen med oliebaseret plast er kun intensiveret det sidste år, da olieprisen er faldet i halve. ”For at være konkurrencedygtig med traditionelt oliebaseret materiale havde vi brug for, at olieprisen lå et sted omkring $ 130, $ 140 pr. Tønde,” siger Scheer. "Det er klart, at vi med $ 50 pr. Tønde er langt væk fra at kunne konkurrere."
Scheer siger, at kapaciteten til at fremstille al verdens plast fra ikke-petroleumskilder eksisterer, men at gøre det ville kræve betydelig statsstøtte. ”Det bliver nødt til at blive drevet af regulering, der tvinger plastomkostningerne og olieomkostningerne til at være væsentligt højere, end de er lige nu,” siger han.
Polyethylen Konkurrent?
Hvis bæredygtig plast, der reducerer vores afhængighed af fossile brændstoffer og nedbrydes i slutningen af deres levetid, bliver mainstream, bliver de nødt til at være i stand til ikke kun at indsende mikrokugler, skum og andre specialapplikationer, men også til termoplast - lav -omkostningsdygtige polymerer, der udgør mere end 80 procent af de hundreder af millioner af tons plast, der produceres hvert år.
Coates arbejder nu på en ny biopolymer med egenskaber, der kan sammenlignes med eller måske bedre end polyethylen, den mest producerede termoplast, der bruges til at fremstille alt fra affaldsposer til vandflasker til plastlegetøj.
Selv et tyndt lag polyethylen er utroligt stærkt, hvilket f.eks. Fremstiller konvolutter, der er næsten umulige at åbne uden sakse eller mælkekander, der ikke går i stykker, når de falder på gulvet. ”Det meste af det er fordi det er et semikrystallinsk materiale,” siger Coates. "[Polymer] kæderne pakker ved siden af hinanden på en meget tæt og specifik måde, der generelt giver ret imponerende egenskaber."
I en 2014-undersøgelse offentliggjort i Journal of the American Chemical Society, Coates og kolleger hos Cornell beskrev et nyt materiale med en halvkrystallinsk struktur, der er lavet af et sukkerråmateriale og har egenskaber svarende til polyethylen, men alligevel er bedre i stand til at nedbrydes i slutningen af dets brugstid.
”Det sker ikke natten over, men jeg tror, at der er visse positive [indikationer på, at det] kan være en reel konkurrent til en plast som polyethylen,” siger Hillmyer.
Det nye materiale, kendt som poly (polypropylensuccinat), er ikke blevet testet for at se, hvor hurtigt det vil nedbrydes i et losseplads eller havmiljø. Men baseret på dets sammensætning, siger Coates, at det skal begynde at nedbrydes i vand efter flere måneder, en tidsperiode, der vil overstige levetiden for de fleste engangsprodukter. Poly (polypropylensuccinat) nedbrydes til propylenglycol og ravsyre, ikke-toksiske materialer, der reduceres yderligere til CO2 og vand, når det indtages af mikrober.
"Hvis du skulle spise polymernedbrydningsprodukter, ville det være dem, du vil have," siger Coates.
Det er usandsynligt, at poly (polypropylensuccinat) nogensinde vil koste mindre på pund-for-pund-basis end konventionel polyethylen, men dens unikke krystallinske struktur antyder, at det kunne fungere bedre end dets råolie-modstykke. I så fald kan producenter af bioplast en dag være i stand til at konkurrere med nutidens plastindustri ved at fremstille ting som mælkekander med betydeligt mindre materiale end oliebaseret plast.
Op ad bakke
Kort om omfattende regler, der sætter en pris på kulstof eller kræver, at al plast nedbrydes, bliver bioplast nødt til at finde måder til at udkonkurrere konventionel plast, hvis de nogensinde vil udfylde mere end nicheanvendelser.
Det er en opadgående kamp - men en, at et andet engangsprodukt, solpanelet, vinder i stigende grad.
I 2007 udgjorde solenergi mindre end 0.1 procent af den amerikanske elproduktion. Takket være opfindsomhed og innovation er prisen på solcellemoduler faldet fra US $ 4 pr. Watt til US $ 0.50 pr. Watt, hvilket gør solenergi til den hurtigst voksende strømkilde i landet.
Kan de, der arbejder med bioplast, se en lignende havændring? I sidste ende vil meget sandsynligvis ikke kun køre på, hvor godt deres produkter nedbrydes, men på hvor meget de kan nedbryde konventionel plasts konkurrencefordel.
Om forfatteren
Phil McKenna er en freelance skribent interesseret i konvergensen af fascinerende individer og spændende ideer. Han skriver primært om energi og miljøet med fokus på individerne bag nyheden. Hans arbejde vises i New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER og NOVA, hvor han er en bidragydende redaktør.
Denne artikel blev oprindeligt vist på Ensia
Relateret bog:
at
Tak for besøget InnerSelf.com, hvor der er 20,000 + livsændrende artikler, der promoverer "Nye holdninger og nye muligheder." Alle artikler er oversat til 30+ sprog. Tilmeld til InnerSelf Magazine, der udgives ugentligt, og Marie T Russells Daily Inspiration. InnerSelf Magazine er udkommet siden 1985.
Tak for besøget InnerSelf.com, hvor der er 20,000 + livsændrende artikler, der promoverer "Nye holdninger og nye muligheder." Alle artikler er oversat til 30+ sprog. Tilmeld til InnerSelf Magazine, der udgives ugentligt, og Marie T Russells Daily Inspiration. InnerSelf Magazine er udkommet siden 1985.
