Pe măsură ce polimerii pe bază de petrol ne murdăresc oceanele și ne aruncă viețile, cercetătorii caută modalități mai ecologice de a satisface cererea de materiale durabile și versatile. Flickr: Fotografie de Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

29 iulie 2015 - Soarta oceanelor lumii s-ar putea odihni într-un rezervor din oțel inoxidabil care nu are dimensiunea unui butoi de bere mic. În interior, bacteriile modificate genetic transformă siropul de porumb într-o masă agitată de polimeri care poate fi utilizată pentru a produce o mare varietate de materiale plastice comune.

„Este un pic ca și prepararea iaurtului”, spune Oliver Peoples, șef șef al Metabolix, Inc.

Compania cu sediul în Cambridge, Massachusetts, unde bioplasticele prind contur în camere de fermentare la scară de laborator, este una dintre numărul crescând de companii și instituții care lucrează pentru a dezvolta înlocuiri mai competitive din punct de vedere al costurilor și mai ecologice pentru materialele plastice convenționale, care sunt fabricate din combustibili fosili, eșuează să se descompună și să transforme oceanele noastre în mări de plastic plutitor.

„Am văzut această creștere uriașă a producției de plastic care are ca rezultat și o creștere a fluxului de deșeuri”, spune Jenna Jambeck, membru al facultății de inginerie a mediului la Universitatea din Georgia. „Spre deosebire de materialele care biodegradează, plasticul are toate aceste probleme. Se deplasează cu ușurință pe căi navigabile, se fragmentează fizic în bucăți mai mici, care sunt extrem de dure sau imposibil de colectat și [tinde să] absoarbă contaminanții chimici care se află deja în mediu. ”

Aproximativ 4.8 milioane până la 12.7 milioane tone metrice (5.3 milioane până la 14 milioane tone) de plastic, sau până la 4% din aproximativ 300 de milioane de tone metrice (330 milioane tone) de plastic produse în fiecare an, au intrat în ocean ca gunoi în 2010. Cifra este de așteptat să crească de 10 ori în următorul deceniu, pe măsură ce se produce mai mult plastic și eludează ulterior eforturile de gestionare și reciclare a deșeurilor, potrivit unui studiu realizat de Jambeck și colegii săi. publicat la începutul acestui an în revista Ştiinţă.

Ce efect are tot acest plastic asupra viețuitoarelor, inclusiv a oamenilor, rămâne neclar. O serie de studii recente arată că substanțele chimice din bucăți mici de plastic și chiar bucățile de plastic în sine se pot acumula în păsări, pești și alte vieți marine. Testele de laborator au arătat că substanțele chimice care le conțin pot provoca efecte negative asupra sănătății, inclusiv afectarea ficatului și perturbarea endocrinei prin modificarea expresiei genice. Rămâne necunoscut dacă efectele similare apar în afara laboratorului sau dacă se extind în lanțul alimentar către persoanele care mănâncă organisme marine, însă ambele par complet plauzibile.

Și asta nu este tot. Materialele plastice sunt notorii și în departamentul de gaze cu efect de seră. Aproximativ 8 la sută din petrolul utilizat în întreaga lume în fiecare an este destinat fabricării de plastic direct sau pentru alimentarea proceselor de fabricație a plasticului, conform unui raport recent al Worldwatch Institute.

„Chiar dacă oamenii simt că ar dori să folosească mai puțin plastic decât mai mult, realitatea este că materialele plastice sunt materiale moderne care fac mașinile mai ușoare, purifică apa și adaugă un beneficiu extraordinar aplicațiilor de sănătate și securitate.” - Marc Hillmyer De ce nu doar să ne reducem utilizarea? În primul rând, materialele plastice sunt incredibil de versatile, satisfăcând un spectru de nevoi de flexibilitate, cost și alți parametri pe care materialele de substituție ar fi greu de asortat. Nu numai asta, ci și materialele de substituție prezintă propriile lor efecte negative asupra mediului, sociale și asupra sănătății.

„Chiar dacă oamenii simt că ar dori să folosească mai puțin plastic decât mai mult, realitatea este că materialele plastice sunt materiale moderne care fac mașinile mai ușoare, purifică apa și adaugă un beneficiu extraordinar aplicațiilor de sănătate și securitate”, spune Marc Hillmyer, director al Centrul pentru polimeri durabili la Universitatea din Minnesota din Minneapolis.

Cu alte cuvinte, există motive solide pentru a căuta alternative mai durabile față de materialele plastice convenționale - și anume, materialele plastice pe bază de plante. Astfel de așa-numitele bioplastice sunt capabile să se degradeze, reducând dramatic riscul ca acestea să ajungă să polueze pe uscat sau pe mare. De asemenea, ne reduc dependența de combustibilii fosili, reducând amprenta de carbon a plasticului. Emisiile de gaze cu efect de seră asociate bioplasticelor sunt cu 26% mai mici decât cele asociate cu plasticul convențional, potrivit o analiză recentă a ciclului de viață al plasticului pe bază de porumb și pe bază de petrol de către cercetătorii de la Universitatea de Stat din Michigan.

Alternative emergente

Cu toate acestea, nu este ușor să găsești alternative descompozibile care nu se bazează pe petrol. Plasticul din porumb, trestie de zahăr sau alt material vegetal nu este neapărat degradabil și poate fi dificil să se producă degradarea atunci când doriți.

„Nu doriți ca punga de plastic să se degradeze în timp ce o utilizați”, spune Hillmyer. „Pe de altă parte, doriți ca acesta să se degradeze rapid atunci când este introdus într-un alt mediu.”

În timp ce chimiștii au avut dificultăți în reformularea materialelor plastice pe bază de petrol, astfel încât să poată degrada, apar o serie de alternative biodegradabile, degradabile.

În ciuda acestor succese și a altor succese recente, bioplasticele rămân o mică parte a industriei în ansamblu. Natureworks, o companie cu sediul în Minnetonka, Minnesota, este unul dintre cei mai mari producători de bioplastice din lume. Compania produce acid polilactic sau PLA, un plastic biodegradabil pe care îl obține din amidon de porumb și transformă într-o gamă largă de produse de consum - inclusiv tacâmuri de unică folosință, cupe și ambalaje - care se descompun la sfârșitul vieții lor utile. Unitatea de producție inițială a companiei din Blair, Nebraska, a intrat online în 2002 și poate produce 140,000 de tone metrice (150,000 de tone) de PLA pe an. Compania a anunțat recent planurile de a deschide o a doua fabrică în Asia de Sud-Est care va folosi trestia de zahăr ca materie primă.

Un alt producător de frunte de bioplastic este compania Coca-Cola, care a lansat în 2009 PlantBottle, o sticlă de băutură fabricată din tereftalat de polietilenă - PET - care conține până la 30% material bio-bazat. Sticlele nu sunt degradabile, dar, spre deosebire de majoritatea materialelor plastice biologice, pot fi reciclate împreună cu PET-ul convențional, un material plastic reciclat în mod obișnuit. Din 2009, compania a produs 35 de miliarde de plante originale de la PlantBottles. În iunie 2015, compania a prezentat o nouă versiune care este 100% bio-bazată.

În ciuda acestor succese recente și a altor, bioplasticele rămân o mică parte a industriei în ansamblu. Materialele sunt potrivite pentru produse de unică folosință, cum ar fi linguri și sticle, în care consumatorii sunt dispuși să plătească o primă pentru produse mai durabile. Durabilitate ridicată, aplicații mai puțin vizibile - de exemplu, conductele de apă din PVC care sunt utilizate în mod obișnuit în instalațiile sanitare rezidențiale și comerciale - sunt încă realizate în întregime din plastic convențional. În total, mai puțin de 0.5 la sută din totalul plasticului provine din surse non-petroliere, potrivit Societății Industriei Materialelor Plastice, un grup comercial din industrie cu sediul în Washington, DC

Cu toate acestea, reglementările guvernamentale conduc la creșterea utilizării bioplasticelor. În 2014, Illinois a interzis microsferele, mici abrazive din plastic utilizate în mod obișnuit în exfoliații faciali, șampon și pastă de dinți, din cauza preocupărilor cu privire la degradarea mediului în Marile Lacuri. Cu mai puțin de un milimetru în diametru, microbierele sunt prea mici pentru a fi filtrate de sistemele de tratare a apelor uzate și au fost găsite atât în ​​mediul de apă dulce, cât și în cel marin.

Bunurile de larg consum care pot fi fabricate din PHA biodegradabil includ pungi, ustensile și jachete cu cablu electric. Fotografie oferită de Metabolix.

Cu o interdicție federală asupra microbilor, Metabolix a colaborat cu Honeywell în martie pentru a produce o alternativă biodegradabilă la microbile. Microbele pe care le dezvoltă cele două companii sunt fabricate din polihidroxialcanoați sau PHA, un plastic pe bază de bio care este mai scump, dar și mai versatil decât PLA. Microbele pe care le dezvoltă cele două companii sunt realizate prin fermentarea amidonului de porumb, deși ar putea fi făcute și din culturi nealimentare, cum ar fi iarba de schimb. Microbele PHA se vor degrada în dioxid de carbon și apă în câteva luni, în același ritm ca celuloza sau hârtia, spune Peoples.

În jurul laturilor de jos

Pe măsură ce ne sporim dependența de materialele plastice provenite din culturi precum porumbul sau trestia de zahăr, am putea introduce, din greșeală, noi probleme de mediu. Un studiu recent în jurnal Producție mai curată au observat bioplastice cultivate din materii prime agricole folosiți cantități semnificative de apă, pesticide și îngrășăminte care pot provoca poluarea aerului și a apei și pot concura pentru terenuri cu culturi cultivate pentru hrană.

O modalitate posibilă de a ocoli părțile inferioare ale materialelor plastice pe bază de plante, reducând în același timp dependența de petrol, este utilizarea CO₂ ca materie primă în schimb. Novomer, o companie rezultată din cercetările de la Universitatea Cornell din Ithaca, New York, transformă deșeurile de CO₂ de la fabricile de producție a etanolului la plastic. Compania fabrică polioli - polimeri utilizați pentru fabricarea spumei flexibile care se găsesc în saltele, perne de scaune și izolație, precum și o gamă de acoperiri și etanșanți de specialitate.

„Dacă salteaua dvs. ar fi făcută cu materialul nostru, ar fi aproximativ 22% din greutatea dioxidului de carbon”, spune Peter Shepard, vicepreședinte executiv al polimerilor Novomer. Este nevoie de un gaz cu efect de seră care este un deșeu și îl transformă într-un produs valoros. ”

De obicei CO₂ este prea inert pentru a reacționa cu alți compuși, ceea ce face dificilă utilizarea acestuia în materiale plastice sau alte aplicații. Geoffrey Coates, profesor de chimie la Universitatea Cornell din Ithaca și cofondator al Novomer, a dezvoltat un catalizator care a crescut reactivitatea CO₂ în timp ce încetinește simultan reactivitatea unui alt ingredient cheie din poliol - facilitând încorporarea CO₂ în polimerul rezultat.

„Este ca și cum ai avea copii și le dai pizza și broccoli și le spui de fiecare dată când iei o mușcătură de pizza trebuie să iei o mușcătură de broccoli”, spune Coates, care este, de asemenea, membru al Centrului Polimerilor Durabili .

Cea mai mare provocare pentru bioplastice este că acestea concurează cu materialele plastice convenționale, materiale incredibil de ieftine care au fost șlefuite în ultimii 60 de ani, spune Scheer. spumă.

Deși compania se concentrează în prezent pe producerea de spume și substanțe de etanșare, Shepard spune CO Novomer₂polimerii pe bază de ar putea fi utilizați pentru a produce materiale plastice degradabile cu un CO₂ conținut de până la 50%.

Cea mai mare provocare

În ciuda creșterii puternice din ultimii ani, unii spun că bioplasticele nu și-au atins potențialul.

„Industria bioplasticelor nu a reușit să creeze polimeri care să fie suficient de atrăgători din punct de vedere al prețurilor și din punct de vedere al proprietăților care vor face lumea să fie dispusă să se schimbe”, spune Frederick Scheer, fostul CEO al Cereplast, o companie de bioplastice lideră pe vremuri. care a declarat faliment în 2014.

Cea mai mare provocare pentru bioplastice este că acestea concurează cu materialele plastice convenționale, materiale incredibil de ieftine care au fost perfecționate în ultimii 60 de ani, spune Scheer.

"Oamenii sunt oarecum conștienți de impactul asupra mediului al materialelor pe bază de petrol care nu se vor biodegrada, dar nu sunt dispuși să cheltuiască dolari suplimentari pentru a împinge [noi] tipuri de materiale", spune el.

Concurența cu plasticul pe bază de petrol s-a intensificat doar în ultimul an, deoarece prețul petrolului a scăzut la jumătate. „Pentru a fi competitivi cu materialele tradiționale pe bază de petrol am avut nevoie ca prețul petrolului să fie undeva la 130 USD, 140 USD barilul”, spune Scheer. „În mod clar, la 50 de dolari pe baril suntem departe de a putea concura.”

Scheer spune că există capacitatea de a face tot plasticul din lume din surse non-petroliere, dar pentru a face acest lucru ar necesita sprijin guvernamental semnificativ. „Va trebui să fie condus de o reglementare care va forța costul plasticului și costul petrolului să fie substanțial mai mare decât este acum”, spune el.

Concurent de polietilenă?

Dacă materialele plastice durabile care reduc dependența noastră de combustibilii fosili și se degradează la sfârșitul vieții lor utile vor deveni obișnuite, vor trebui să fie capabili să se supună nu numai microbilor, spumei și altor aplicații de specialitate, ci și pentru termoplastice - scăzut -cost, polimeri formabili care cuprind mai mult de 80 la sută din sutele de milioane de tone de plastic produse în fiecare an.

Coates lucrează acum la un nou biopolimer cu proprietăți comparabile sau poate mai bune decât polietilena, cel mai larg produs termoplastic folosit pentru a face totul, de la pungi de gunoi la sticle de apă până la jucării din plastic.

Chiar și un strat subțire de polietilenă este incredibil de puternic, făcând, de exemplu, plicuri care sunt aproape imposibil de deschis fără foarfece sau ulcere de lapte care nu se rup atunci când sunt lăsate pe podea. „Cea mai mare parte a acestui fapt se datorează faptului că este un material semicristalin”, spune Coates. „Lanțurile [polimerice] se împachetează una lângă cealaltă într-un mod foarte strâns și specific, care, în general, oferă proprietăți destul de impresionante.”

Într-o Studiu din 2014 publicat în Jurnalul American Chemical Society, Coates și colegii de la Cornell au descris un nou material cu o structură semicristalină care este fabricat dintr-o materie primă de zahăr și are proprietăți similare polietilenei, dar este mai capabil să se descompună la sfârșitul vieții sale utile.

„Nu se întâmplă peste noapte, dar cred că există anumite [indicii că pozitive] ar putea fi un adevărat concurent pentru un plastic precum polietilena”, spune Hillmyer.

Noul material, cunoscut sub numele de poli (polipropilen succinat), nu a fost testat pentru a vedea cât de repede s-ar descompune într-un depozit sau în mediu marin. Dar pe baza compoziției sale, spune Coates, ar trebui să înceapă degradarea în apă după câteva luni, o perioadă de timp care ar depăși durata de viață utilă a majorității produselor de unică folosință. Poli (polipropilen succinat) se descompune în propilen glicol și acid succinic, materiale netoxice care sunt reduse în continuare la CO₂ și apă atunci când este ingerată de microbi.

„Dacă ar fi să mănânci produse de degradare a polimerilor, acestea ar fi cele pe care le dorești”, spune Coates.

Este puțin probabil ca poli (polipropilen succinat) să coste vreodată mai puțin pe lire pe kilogram decât polietilena convențională, dar structura sa cristalină unică sugerează că ar putea funcționa mai bine decât omologul său din petrol. Dacă da, producătorii de bioplastice ar putea într-o bună zi să poată concura cu industria plastică de astăzi făcând lucruri precum urcele de lapte cu un material semnificativ mai mic decât plasticele pe bază de petrol.

Bătălia în sus

În afară de reglementările guvernamentale radicale care stabilesc un preț asupra carbonului sau care necesită biodegradarea tuturor materialelor plastice, bioplasticele vor trebui să găsească modalități de a întrece materialele plastice convenționale dacă vor completa vreodată mai mult decât aplicațiile de nișă.

Este o bătălie ascendentă - dar una pe care un alt produs de nișă odată, panoul solar, câștigă din ce în ce mai mult.

În 2007, energia solară a reprezentat mai puțin de 0.1% din producția de electricitate din SUA. Datorită ingeniozității și inovației, prețul modulelor fotovoltaice a scăzut de la 4 USD pe watt la 0.50 USD pe watt, făcând din energia solară cea mai rapidă sursă de energie electrică din țară.

Cei care lucrează la bioplastice ar putea vedea o schimbare similară a mării? În cele din urmă, multe vor merge probabil nu numai pe cât de bine se descompun produsele lor, ci pe cât de mult pot descompune avantajul competitiv al plasticului convențional.

Despre autor

Phil McKenna este un scriitor independent, interesat de convergența indivizilor fascinanți și a ideilor interesante. El scrie în primul rând despre energie și mediu, concentrându-se asupra indivizilor din spatele știrilor. Opera sa apare în New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER și NOVA, unde este editor colaborator.

Acest articol a apărut inițial pe Ensia

Carte înrudită:

at

Multumesc pentru vizita InnerSelf.com, unde sunt 20,000+ articole care schimbă viața care promovează „Noi atitudini și noi posibilități”. Toate articolele sunt traduse în Peste 30 de limbi. Mă abonez la InnerSelf Magazine, publicată săptămânal, și la Daily Inspiration a lui Marie T Russell. Revista InnerSelf a fost publicată din 1985.