Som petroleumsbaserte polymerer ødelegger våre hav og søppel våre liv, søker forskere mer miljøvennlige måter å møte etterspørselen etter slitesterk, allsidig materiale. Flickr: Foto av Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

Juli 29, 2015 - Skjebnen til verdenshavene kan ligge inne i en rustfritt ståltank, ikke akkurat som en liten ølkål. Innvendig gjør genetisk modifiserte bakterier mais sirup til en bølgende masse polymerer som kan brukes til å produsere et bredt spekter av vanlig plast.

"Det er litt som å lage yoghurt," sier Oliver Peoples, vitenskapelig offiser i Metabolix, Inc.

Cambridge, Massachusetts-baserte selskap hvor bioplastikk tar form i gjødselkamre i laboratorieskala, er et av flere bedrifter og institusjoner som jobber for å utvikle kostnadseffektive, mer miljøvennlige erstatninger for konvensjonell plast, som er laget av fossile brensel, mislykkes å dekomponere og snu våre hav i hav av flytende plast.

"Vi har sett denne store økningen i produksjonen i plast som også resulterer i økt avfallsstrøm," sier Jenna Jambeck, et miljøteknisk fakultet medlem ved University of Georgia. "I motsetning til materiale som bionedbryter, har plast alle disse problemene. Den beveger seg lett inn i vannveier, det fysisk fragmenter i mindre stykker som er ekstremt vanskelig eller umulig å samle, og [det pleier å] absorbere kjemiske forurensninger som allerede er i miljøet. "

Noen 4.8 millioner til 12.7 millioner metriske tonn (5.3 millioner til 14 millioner tonn) av plast, eller opp til 4 prosent av omtrent 300 millioner tonn (330 millioner tonn) plast produsert hvert år, kom inn i havet som søppel i 2010. Figuren forventes å øke 10-fold i det neste tiåret, da mer plast blir produsert og senere unngår avfallshåndtering og gjenvinning, ifølge en studie Jambeck og kollegaer publisert tidligere i år i tidsskriftet Vitenskap.

Hvilken effekt har denne plasten på levende ting, inkludert mennesker, forblir uklart. En rekke nyere studier viser at kjemikalier i små biter av plast, og selv plastbiter seg, kan akkumulere i fugler, fisk og annet marint liv. Laboratorietesting har vist at kjemikaliene som inneholder dem, kan forårsake uønskede helseeffekter, inkludert leverskade og endokrine forstyrrelser gjennom endret genuttrykk. Hvorvidt lignende effekter oppstår utenfor laboratoriet, eller om de strekker seg opp i matkjeden til mennesker som spiser marine organismer, er fortsatt ukjente, men begge virker helt plausible.

Og det er ikke alt. Plast er også kjent i klimagassavdelingen. Om lag 8 prosent av petroleum som brukes over hele verden, går hvert år for å lage plast direkte eller til makten av plastprosessene, ifølge en nylig rapport fra Worldwatch Institute.

"Selv om folk føler at de ønsker å bruke mindre plast i stedet for mer, er det faktum at materiell er moderne materialer som gjør biler lettere, renser vann og gir stor fordel for helse- og sikkerhetsapplikasjoner." - Marc Hillmyer Hvorfor ikke Bare reduser bruken vår? For en ting, plast er utrolig allsidig, møte et spekter av behov for fleksibilitet, kostnader og andre parametere som erstatning materialer ville være vanskelig satt til å matche. Ikke bare det, men erstatningsmaterialer presenterer sine egne negative miljø-, sosiale og helsemessige konsekvenser.

"Selv om folk føler at de ønsker å bruke mindre plast i stedet for mer, er det faktum at materiell er moderne materialer som gjør biler lettere, renser vann og gir stor fordel for helse- og sikkerhetsapplikasjoner, sier Marc Hillmyer, direktør for Senter for bærekraftige polymerer ved Universitetet i Minnesota i Minneapolis.

Det er med andre ord sterke grunner til å forfølge mer bærekraftige alternativer til konvensjonell plast - nemlig plantebasert plast. Slike såkalte bioplaster er i stand til å nedbryte, dramatisk redusere risikoen for at de vil ende opp forurensende land eller sjø. De senker også vår avhengighet av fossile brensel, og reduserer plastens karbonavtrykk. Drivhusgassutslipp knyttet til bioplast er 26 prosent lavere enn de som er forbundet med konvensjonell plast, ifølge en ny livssyklusanalyse av maisbasert og petroleumsbasert plast av forskere ved Michigan State University.

Emerging alternativer

Det er imidlertid ikke lett å finne ikke-petroleumsbaserte, dekomponerte alternativer til dagens plast. Plast laget av mais, sukkerrør eller annet plantebasert materiale er ikke nødvendigvis nedbrytbart, og det oppstår nedbrytning når du vil at det kan være vanskelig.

"Du vil ikke at plastposen din skal nedbrytes mens du bruker den," sier Hillmyer. "På den annen side vil du at det skal nedbrytes raskt når det blir satt i et annet miljø."

Mens kjemikere har hatt problemer med å reformere petroleumsbasert plast slik at de kan nedbrytes, oppstår en rekke biobaserte, nedbrytbare alternativer.

Til tross for disse og andre nylige suksesser forblir bioplast en liten brøkdel av industrien som helhet. Natureworks, et selskap basert i Minnetonka, Minnesota, er en av verdens ledende produsenter av bioplast. Selskapet lager polymjelsyre, eller PLA, en biologisk nedbrytbar plast som den får fra maisstivelse og lager til et bredt spekter av forbrukerprodukter - inkludert engangsbestikk, kopper og emballasje - som spaltes ved slutten av levetiden. Selskapets opprinnelige produksjonsanlegg i Blair, Nebraska, kom på nett i 2002 og kan produsere 140,000 150,000 tonn PLA per år. Selskapet kunngjorde nylig planer om å åpne et nytt anlegg i Sørøst-Asia som vil bruke sukkerrør som råstoff.

En annen ledende produsent av bioplast er Coca-Cola Company, som i 2009 lanserte PlantBottle, en drikkeflaske laget av polyetylentereftalat -PET - som inneholder opptil 30 prosent biobasert materiale. Flaskene er ikke nedbrytbare, men i motsetning til de fleste biobaserte plaster, kan de resirkuleres sammen med vanlig PET, en vanlig resirkulert plast. Siden 2009 har selskapet produsert 35 milliarder av sine originale PlantBottles. I juni 2015 presenterte selskapet en ny versjon som er 100 prosent biobased.

Til tross for disse og andre nyere suksess forblir bioplaster en liten brøkdel av næringen som helhet. Materialene er godt egnet for engangsprodukter som skjeer og flasker der forbrukerne er villige til å betale en premie for mer bærekraftige produkter. Høy holdbarhet, mindre synlige anvendelser - for eksempel vannrør laget av PVC som brukes i bolig- og kommersielle rørleggerarbeid - er fremdeles fremstilt av konvensjonell plast. Totalt kommer mindre enn 0.5 prosent av all plast fra ikke-petroleumskilder, ifølge Society of the Plastics Industry, en bransjehandelsgruppe basert i Washington, DC

Regjeringens regulering fører imidlertid til økt bruk av bioplast. I 2014 Illinois forbudte mikroperler, små plast slipemidler som ofte brukes i ansikts skrubber, sjampo og tannkrem, på grunn av bekymringer for miljøforringelse i de store innsjøene. På mindre enn en millimeter i diameter er mikrobeinene for små for å bli filtrert av kloakkbehandlingssystemer og har blitt funnet i både ferskvann og marine miljøer.

Forbruksvarer som kan fremstilles av biologisk nedbrytbart PHA inkluderer poser, redskaper og elektriske kabeljakker. Foto courtesy of Metabolix.

Med et føderalt forbud mot mikrobuller forventet, Metabolix samarbeidet med Honeywell i mars for å produsere et biologisk nedbrytbart alternativ til mikroperler. Mikroperlene de to selskapene utvikler er laget av polyhydroksyalkanoater, eller PHA, en biobasert plast som er dyrere, men også mer allsidig enn PLA. Mikroperlene de to selskapene utvikler er laget av fermentering av maisstivelse, men de kan også bli laget av ikke-matavlinger som switchgrass. PHA-mikroperler vil nedbryte til karbondioksid og vann i løpet av måneder i samme takt som cellulose eller papir, sier folk.

Rundt ned sidene

Når vi øker vårt avhengighet av plast hentet fra avlinger som mais eller sukkerrør, kan vi ved et uhell innføre nye miljøhensyn. En nylig studie i tidsskriftet Renere Produksjon bemerket bioplastikk dyrket fra landbruksråmaterialer bruk betydelige mengder vann, plantevernmidler og gjødsel som kan forårsake luft- og vannforurensning og konkurrere om land med avlinger dyrket for mat.

En mulig måte å komme seg rundt på nedsiden av plantebasert plast, samtidig som det reduserer avhengigheten av petroleum, er å bruke CO₂ som et råmateriale i stedet. Novomer, et selskap spunnet ut fra forskning ved Cornell University i Ithaca, New York, slår avfall CO₂ fra etanolproduksjonsanlegg til plast. Selskapet lager polyoler - polymerer brukes til å lage fleksibelt skum som finnes i madrasser, seteputer og isolasjon, samt en rekke spesialbelegg og tetningsmidler.

"Hvis madrassen din var laget med vårt materiale, ville det være omtrent 22 prosent av karbondioksid," sier Peter Shepard, Novomers direktør for polymerer. "Det tar en drivhusgass som er avfall og gjør det til et verdifullt produkt. "

Vanligvis CO₂ er for inert til å reagere med andre forbindelser, noe som gjør bruken i plast eller andre applikasjoner vanskelig. Geoffrey Coates, en kjemisk professor ved Cornell University i Ithaca og en medstifter av Novomer, utviklet en katalysator som økte reaktiviteten til CO₂ samtidig som reaktiveringen av en annen viktig polyolbestanddel reduseres, noe som gjør det lettere å inkorporere CO₂ inn i den resulterende polymer.

"Det er som om du har barn, og du gir dem pizza og brokkoli, og du forteller dem hver gang du tar en bit pizza, må du ta en bit av brokkoli," sier Coates, som også er medlem av Senter for bærekraftige polymerer .

Den største utfordringen for bioplast er at de konkurrerer mot konvensjonell plast, utrolig rimelige materialer som har blitt herdet i de siste 60-årene, sier Scheer. Polyolene laget av Novomer er nedbrytbare, men mister nedbrytbarheten når de kombineres med petroleumsbaserte kjemikalier for å gjøre skum.

Selv om selskapet for tiden er fokusert på å lage skum og tetningsmidler, forteller Shepard Novoms CO₂baserte polymerer kunne brukes til å lage nedbrytbar plast med et CO₂ innhold så høyt som 50 prosent.

Største utfordring

Til tross for sterk vekst de siste årene, sier noen at bioplaster ikke har levd opp til sitt potensiale.

"Bioplastindustrien har ikke vært i stand til å skape polymerer som er attraktive nok med hensyn til prising og egenskaper som vil gjøre verden villig til å endre seg," sier Frederick Scheer, tidligere administrerende direktør i Cereplast, et ledende bioplastfirma som erklærte konkurs i 2014.

Den største utfordringen for bioplaster er at de konkurrerer mot konvensjonell plast, utrolig rimelige materialer som har blitt honet for de siste 60-årene, sier Scheer.

"Folk er litt bevisste på miljøpåvirkningen av oljebaserte materialer som ikke vil bionedbryte, men de er ikke villige til å bruke de ekstra dollarene til å presse [nye] typer materialer, sier han.

Konkurranse med petroleumsbasert plast har bare intensivert det siste året ettersom oljeprisen har gått ned i halvparten. "For å være konkurransedyktig med tradisjonelt oljebasert materiale trengte vi prisen på olje til å være et sted rundt $ 130, $ 140 per fat," sier Scheer. "Klart, på $ 50 en tønne er vi langt unna å kunne konkurrere."

Scheer sier at kapasiteten til å få alle verdens plast fra ikke-petroleumskilder eksisterer, men for å gjøre det, vil det kreve betydelig offentlig støtte. "Det må styres av regulering som vil tvinge kostnadene for plast og oljekostnadene til å være vesentlig høyere enn det er akkurat nå," sier han.

Polyetylenkonkurrent?

Hvis bærekraftig plast som reduserer vår avhengighet av fossile brensler og nedbrytes ved brukstidens slutt, kommer til å bli vanlige, må de kunne deles i ikke bare mikrobe, skum og andre spesialapplikasjoner, men også for termoplast - lavt -kost, formbare polymerer som inneholder mer enn 80 prosent av hundrevis av millioner tonn plast produsert hvert år.

Coates jobber nå med en ny biopolymer med egenskaper som er sammenlignbare med eller kanskje bedre enn polyetylen. Den mest produserte termoplast brukes til å lage alt fra søppelsekker til vannflasker til plastlegetøy.

Selv et tynt lag av polyetylen er utrolig sterk, noe som gjør for eksempel postkuvert som er nesten umulig å åpne uten saks eller melkekar som ikke går i stykker når de faller på gulvet. "Det meste av det er fordi det er et semikrystallinsk materiale," sier Coates. "De [polymer] kjedene pakker sammen ved hverandre på en veldig stram og spesifikk måte som samlet gir flotte imponerende egenskaper."

I en 2014 studie publisert i Journal of the American Chemical Society, Coates og kollegaer på Cornell beskrev et nytt materiale med en semikrystallinsk struktur som er laget av sukker råstoff og har egenskaper som ligner på polyetylen, men er bedre i stand til å dekomponere ved slutten av levetiden.

"Det skjer ikke over natten, men jeg tror det er visse positive [tegn på at det] kan være en ekte konkurrent for en plastikk som polyetylen," sier Hillmyer.

Det nye materialet, kjent som poly (polypropylensuccinat), er ikke testet for å se hvor raskt det ville bryte ned i et deponi eller havmiljø. Men basert på sammensetningen, sier Coates, bør den begynne å bryte ned i vann etter flere måneder, en tidsperiode som vil overskride bruksperioden for de fleste engangsprodukter. Poly (polypropylensuccinat) bryter ned i propylenglykol og ravsyre, ikke-toksiske materialer som ytterligere reduseres til CO₂ og vann når det tas inn av mikrober.

"Hvis du måtte spise polymer degradering produkter, ville disse være de du vil," sier Coates.

Det er usannsynlig at poly (polypropylensuccinat) vil koste mindre pund-til-pund enn konvensjonell polyetylen, men dens unike krystallinske struktur antyder at den kan utføre bedre enn sin petroleum-motpart. Hvis det er tilfelle, kan bioplastprodusenter en dag konkurrere med dagens plastindustri ved å lage ting som melkekarmer med betydelig mindre materiale enn petroleumsbasert plast.

Uphill Battle

Kort av feirende regjeringsforskrifter som legger pris på karbon eller krever at alle plastene skal bionedbrytes, må bioplastene finne måter å utkonkurrere vanlige plast hvis de noen gang skal fylle mer enn nisjeapplikasjoner.

Det er en oppoverbakke kamp - men en som et annet nisjeprodukt, solpanelet, blir stadig mer å vinne.

I 2007 gjorde solkraft mindre enn 0.1 prosent av USAs elektrisitetsproduksjon. Takket være oppfinnsomhet og innovasjon har prisen på fotovoltaiske moduler falt fra US $ 4 per watt til US $ 0.50 per watt, noe som gjør solenergi til den raskest voksende energikilden i landet.

Kan de som jobber med bioplaster se en lignende sjøforandring? Til slutt vil mange trolig ikke bare ri på hvor godt deres produkter bryter ned, men på hvor mye de kan bryte ned konvensjonell plasts konkurransefortrinn.

Om forfatteren

Phil McKenna er frilansskriver interessert i konvergensen mellom fascinerende personer og spennende ideer. Han skriver først og fremst om energi og miljø med fokus på individene bak nyhetene. Hans arbeid kommer fram i De New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER og NOVA, hvor han er en medvirkende redaktør.

Denne artikkelen opprinnelig dukket opp på Ensia

Relatert bok:

at

Takk for besøket InnerSelf.com, der det er 20,000 + livsendrende artikler som fremmer "Nye holdninger og nye muligheter." Alle artikler er oversatt til 30+ språk. Bli medlem! til InnerSelf Magazine, utgitt ukentlig, og Marie T Russells Daily Inspiration. InnerSelf Magazine har blitt utgitt siden 1985.