Omdat op aardolie gebaseerde polymeren onze oceanen vervuilen en ons leven vervuilen, zoeken onderzoekers naar milieuvriendelijkere manieren om aan de vraag naar duurzame, veelzijdige materialen te voldoen. Flickr: Foto door Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

Juli 29, 2015 - Het lot van de oceanen in de wereld kan rusten in een roestvrijstalen tank die niet zo groot is als een klein biervat. Binnenin veranderen genetisch gemodificeerde bacteriën de glucosestroop in een kolkende massa polymeren die kunnen worden gebruikt om een ​​breed scala aan gangbare kunststoffen te produceren.

"Het is een beetje zoals yoghurt maken," zegt Oliver Peoples, chief scientific officer of Metabolix, Inc.

Het in Cambridge, Massachusetts gevestigde bedrijf waar bioplastics vorm krijgen in gistingkamers op laboratoriumschaal is een van een groeiend aantal bedrijven en instellingen die werken aan de ontwikkeling van kostenconcurrerende, milieuvriendelijkere vervangingen voor conventionele kunststoffen, die zijn gemaakt van fossiele brandstoffen, falen te ontbinden en veranderen onze oceanen in zeeën van drijvend plastic.

"We hebben deze enorme toename van de productie in plastic gezien die ook leidt tot een toename van de afvalstroom", zegt Jenna Jambeck, lid van de Environmental Engineering faculteit van de Universiteit van Georgia. "In tegenstelling tot materiaal dat biologisch afbreekbaar is, heeft plastic al deze problemen. Het reist gemakkelijk naar waterwegen, het fragmenteert fysiek in kleinere stukken die extreem moeilijk of onmogelijk te verzamelen zijn, en [het neigt om] chemische verontreinigingen te absorberen die zich al in het milieu bevinden. "

Sommige 4.8 miljoen tot 12.7 miljoen ton (5.3 miljoen naar 14 miljoen ton) plastic, oftewel 4 procent van de ongeveer 300 miljoen ton (330 miljoen ton) plastic die elk jaar wordt geproduceerd, ging de oceaan in als afval in 2010. Verwacht wordt dat dit cijfer het komende decennium 10-voudig zal toenemen naarmate er meer plastic wordt geproduceerd en vervolgens afvalbeheer en recycling wordt ontweken, blijkt uit een onderzoek van Jambeck en collega's eerder dit jaar gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap.

Welk effect heeft al dit plastic op levende wezens, inclusief mensen, blijft onduidelijk. Een aantal recente studies tonen aan dat chemicaliën in kleine stukjes plastic, en zelfs de plastic stukjes zelf, zich kunnen verzamelen in vogels, vissen en ander zeeleven. Laboratoriumtests hebben aangetoond dat de chemicaliën waaruit ze bestaan ​​schadelijke effecten voor de gezondheid kunnen hebben, waaronder leverbeschadiging en endocriene verstoring door veranderde genexpressie. Of soortgelijke effecten zich buiten het laboratorium voordoen of dat ze zich uitstrekken tot de voedselketen voor mensen die mariene organismen eten, is onbekend, maar beide lijken volledig aannemelijk.

En dat is niet alles. Plastics zijn ook berucht in de afdeling broeikasgassen. Ongeveer 8 procent van de wereldwijd gebruikte aardolie gaat plastic maken of de plastic productieprocessen aandrijven, volgens een recent rapport van het Worldwatch Institute.

"Hoewel mensen het gevoel hebben dat ze minder plastic willen gebruiken in plaats van meer, is het een feit dat kunststoffen moderne materialen zijn die auto's lichter maken, water zuiveren en enorm voordeel opleveren voor gezondheids- en veiligheidstoepassingen." - Marc HillmyerWaarom niet gewoon ons gebruik verminderen? Om te beginnen zijn kunststoffen ongelofelijk veelzijdig, en voldoen aan een breed spectrum aan behoeften aan flexibiliteit, kosten en andere parameters die substituutmaterialen kunnen vervangen. Niet alleen dat, maar vervangende materialen vertonen hun eigen ongunstige gevolgen voor het milieu, de maatschappij en de gezondheid.

"Hoewel mensen het gevoel hebben dat ze minder plastic willen gebruiken in plaats van meer, gaat het erom dat kunststoffen moderne materialen zijn die auto's lichter maken, water zuiveren en enorm voordeel opleveren voor gezondheid en veiligheidstoepassingen", zegt Marc Hillmyer, directeur van de Centrum voor duurzame polymeren aan de Universiteit van Minnesota in Minneapolis.

Met andere woorden, er zijn solide redenen om duurzamere alternatieven voor conventionele kunststoffen na te streven, namelijk op planten gebaseerde kunststoffen. Zulke zogenaamde biokunststoffen zijn in staat om te degraderen, waardoor het risico dat ze uiteindelijk vervuilend land of de zee belanden dramatisch afneemt. Ze verlagen ook onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en verminderen de koolstofvoetafdruk van plastic. Broeikasgasemissies verbonden aan biokunststoffen zijn 26 procent lager dan die geassocieerd met conventioneel plastic, volgens een recente levenscyclusanalyse van op maïs en op aardolie gebaseerd plastic door onderzoekers van de Michigan State University.

Opkomende alternatieven

Het vinden van op niet-aardolie gebaseerde, ontleedbare alternatieven voor de hedendaagse kunststoffen is echter niet eenvoudig. Kunststof gemaakt van maïs, suikerriet of ander materiaal op basis van planten is niet noodzakelijkerwijs afbreekbaar en het kan moeilijk zijn om degradatie te krijgen wanneer u dat wilt.

"Je wilt niet dat je plastic zak degradeert terwijl je hem gebruikt", zegt Hillmyer. "Aan de andere kant wil je dat het snel degradeert wanneer het in een andere omgeving wordt geplaatst."

Hoewel scheikundigen moeite hebben om op aardolie gebaseerde kunststoffen te herformuleren zodat ze kunnen degraderen, zijn er een aantal biogebaseerde, afbreekbare alternatieven in opkomst.

Ondanks deze en andere recente successen blijven bioplastics een klein deel van de industrie als geheel. Natureworks, een bedrijf gevestigd in Minnetonka, Minnesota, is een van 's werelds toonaangevende fabrikanten van bioplastics. Het bedrijf maakt polymelkzuur, of PLA, een biologisch afbreekbaar plastic dat het uit maïszetmeel haalt en verwerkt tot een breed scala aan consumentenproducten - waaronder bestek, bekers en verpakkingen voor eenmalig gebruik - die aan het einde van hun nuttige levensduur uiteenvallen. De oorspronkelijke productiefaciliteit van het bedrijf in Blair, Nebraska, kwam in 2002 online en kan 140,000 ton (150,000 ton) PLA per jaar produceren. Het bedrijf kondigde onlangs plannen aan om een ​​tweede fabriek te openen in Zuidoost-Azië die suikerriet als grondstof zou gebruiken.

Een andere toonaangevende fabrikant van biokunststoffen is de Coca-Cola Company, die in 2009 PlantBottle introduceerde, een drinkfles gemaakt van polyethyleentereftalaat-PET - die tot 30 procent biobased materiaal bevat. De flessen zijn niet afbreekbaar maar kunnen, in tegenstelling tot de meeste biobased kunststoffen, worden gerecycled samen met conventioneel PET, een veelgebruikt gerecycleerd plastic. Sinds 2009 heeft het bedrijf 35 miljard van zijn originele PlantBottles geproduceerd. In juni onthulde 2015 het bedrijf een nieuwe versie die 100 procent biobased is.

Ondanks deze en andere recente successen, blijven biokunststoffen een miniem deel van de industrie als geheel. De materialen zijn goed geschikt voor producten voor eenmalig gebruik, zoals lepels en flessen, waar consumenten bereid zijn een premie te betalen voor duurzamere producten. Hoge duurzaamheid, minder zichtbare toepassingen - bijvoorbeeld waterpijpen gemaakt van PVC die vaak worden gebruikt in residentieel en commercieel sanitair - zijn nog steeds volledig gemaakt van conventioneel plastic. In totaal is minder dan 0.5 procent van alle plastic afkomstig van niet-aardoliebronnen, volgens de Society of the Plastics Industry, een brancheorganisatie in Washington, DC

Overheidsregulering leidt echter tot een toenemend gebruik van biokunststoffen. In 2014 Illinois verbood microbeads, kleine plastic schuurmiddelen die vaak worden gebruikt in gezichtsscrubs, shampoo en tandpasta, vanwege bezorgdheid over achteruitgang van het milieu in de grote meren. Bij minder dan een millimeter in diameter zijn microkralen te klein om te worden gefilterd door rioolwaterzuiveringssystemen en zijn ze gevonden in zowel zoetwater- als mariene milieus.

Consumptiegoederen die kunnen worden gemaakt van biologisch afbreekbare PHA zijn onder andere tassen, gereedschap en jassen voor elektrische kabels. Foto met dank aan Metabolix.

Met een federaal verbod op verwachte microbeads, werkte Metabolix in maart samen met Honeywell om een ​​biologisch afbreekbaar alternatief voor microbeads te produceren. De microbeads die de twee bedrijven ontwikkelen, zijn gemaakt van Polyhydroxyalkanoates, of PHA, een biogebaseerd plastic dat duurder maar ook veelzijdiger is dan PLA. De microbeads die de twee bedrijven ontwikkelen, zijn gemaakt door maïszetmeel te vergisten, maar ze kunnen ook worden gemaakt van non-food gewassen zoals switchgrass. PHA-microbeads worden in een kwestie van maanden afgebroken tot kooldioxide en water in hetzelfde tempo als cellulose of papier, zegt Peoples.

Around the Down Sides

Naarmate we meer afhankelijk zijn van plastics uit gewassen zoals maïs of suikerriet, kunnen we onbedoeld nieuwe zorgen over het milieu introduceren. Een recente studie in het tijdschrift Schonere productie opgemerkt biokunststoffen gekweekt uit landbouwgrondstoffen gebruik aanzienlijke hoeveelheden water, pesticiden en meststoffen die lucht- en watervervuiling kan veroorzaken en strijden om land met gewassen die voor voedsel worden gekweekt.

Een manier om de keerzijde van plantaardige kunststoffen te omzeilen en tegelijkertijd de afhankelijkheid van aardolie te verminderen, is om CO te gebruiken₂ als een grondstof. Novomer, een bedrijf dat is voortgekomen uit onderzoek aan de Cornell University in Ithaca, New York, maakt afval van CO₂ van ethanolproductie-installaties tot plastic. Het bedrijf maakt polyolen - polymeren voor het maken van flexibel schuim in matrassen, zitkussens en isolatie, evenals een reeks speciale coatings en kitten.

"Als je matras gemaakt is van ons materiaal, zou het ruwweg 22 koolzuurgewichten zijn", zegt Peter Shepard, vice president polymeren van Novomer. "Het kost een broeikasgas dat afval is en verandert het in een waardevol product. "

Typisch CO₂ is te inert om te reageren met andere verbindingen, waardoor het gebruik ervan in kunststoffen of andere toepassingen moeilijk is. Geoffrey Coates, een chemieprofessor aan de Cornell University in Ithaca en mede-oprichter van Novomer, ontwikkelde een katalysator die de reactiviteit van CO verhoogde₂ terwijl tegelijkertijd de reactiviteit van een ander belangrijk polyolbestanddeel wordt vertraagd - waardoor CO gemakkelijker kan worden opgenomen₂ in het resulterende polymeer.

"Het is net alsof je kinderen hebt en je geeft ze pizza en broccoli en je vertelt ze elke keer dat je een hap pizza neemt, je moet een hap broccoli nemen", zegt Coates, die ook lid is van het Center of Sustainable Polymers .

De grootste uitdaging voor biokunststoffen is dat ze concurreren met conventionele kunststoffen, ongelooflijk goedkope materialen die al in de afgelopen 60-jaren zijn verzoet, zegt Scheer. De door Novomer gemaakte polyolen zijn afbreekbaar maar verliezen hun afbreekbaarheid in combinatie met op aardolie gebaseerde chemicaliën om schuim.

Hoewel het bedrijf zich momenteel richt op het maken van schuim en afdichtingsmiddelen, zegt Shepard de CO van Novomer₂op basis van polymeren kunnen worden gebruikt om afbreekbare kunststoffen te maken met een CO₂ inhoud zo hoog als 50 procent.

Grootste uitdaging

Ondanks de sterke groei in de afgelopen jaren, zeggen sommigen dat biokunststoffen hun potentieel niet hebben waargemaakt.

"De bioplastics-industrie is er niet in geslaagd om polymeren te creëren die aantrekkelijk genoeg zijn qua prijsstelling en qua eigenschappen die de wereld bereid zullen maken om te veranderen," zegt Frederick Scheer, de voormalige CEO van Cereplast, een toonaangevend bioplastics bedrijf die failliet verklaard in 2014.

De grootste uitdaging voor biokunststoffen is dat ze concurreren met conventionele kunststoffen, ongelooflijk goedkope materialen die al in de afgelopen 60-jaren zijn aangescherpt, zegt Scheer.

"Mensen zijn zich enigszins bewust van de milieu-impact van op olie gebaseerde materialen die niet biologisch afbreekbaar zijn, maar ze zijn niet bereid om de extra dollars uit te geven om [nieuwe] soorten materialen te pushen", zegt hij.

De concurrentie met op aardolie gebaseerd plastic is het afgelopen jaar alleen maar toegenomen omdat de olieprijs met de helft is gedaald. "Om concurrerend te zijn met traditioneel olie-gebaseerd materiaal, hadden we de prijs van olie nodig ergens rond de $ 130, $ 140 een vat," zegt Scheer. "Het is duidelijk dat bij $ 50 een vat we ver weg zijn om te kunnen concurreren."

Scheer zegt dat het vermogen om al het plastic van de wereld te maken van niet-aardoliebronnen bestaat, maar daarvoor zou aanzienlijke overheidssteun nodig zijn. "Het moet worden aangestuurd door regelgeving die de kosten van plastic en de kosten van olie aanzienlijk hoger zal maken dan nu het geval is," zegt hij.

Polyethyleenconcurrent?

Als duurzame plastics die onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen verminderen en aan het einde van hun nuttige levensduur degraderen, mainstream zullen worden, zullen ze niet alleen in aanmerking moeten komen voor microbeads, schuim en andere speciale toepassingen, maar ook voor thermoplasten - laag - goedkope, vormbare polymeren die elk jaar meer dan 80 procent van de honderden miljoenen tonnen plastic produceren.

Coates werkt nu aan een nieuw biopolymeer met eigenschappen vergelijkbaar met of misschien beter dan polyethyleen, de meest geproduceerde thermoplast die wordt gebruikt om alles van vuilniszakken tot waterflessen tot plastic speelgoed te maken.

Zelfs een dun laagje polyethyleen is ongelooflijk sterk, bijvoorbeeld enveloppen maken die bijna onmogelijk te openen zijn zonder schaar of melkkannen die niet breken als ze op de grond vallen. "Het meeste komt omdat het een semi-kristallijn materiaal is", zegt Coates. "De [polymeer] ketens pakken elkaar op een zeer strakke en specifieke manier in die over het algemeen behoorlijk indrukwekkende eigenschappen geeft."

In een 2014-studie gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society, Coates en collega's bij Cornell beschreven een nieuw materiaal met een semikristallijne structuur die is gemaakt van een suikervoedingsmateriaal en eigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met polyethyleen, maar desondanks beter kan worden ontbonden aan het einde van zijn bruikbare levensduur.

"Het gebeurt niet van de ene op de andere dag, maar ik denk dat er bepaalde positieve [aanwijzingen dat het] een echte concurrent zou kunnen zijn voor een plastic zoals polyethyleen," zegt Hillmyer.

Het nieuwe materiaal, bekend als poly (polypropylene succinate), is niet getest om te zien hoe snel het zou ontbinden in een stortplaats of in een mariene omgeving. Maar op basis van de samenstelling, zegt Coates, zou het na enkele maanden in water moeten gaan afbreken, een periode die de gebruiksduur van de meeste producten voor eenmalig gebruik zou overschrijden. Poly (polypropyleensuccinaat) breekt af in propyleenglycol en barnsteenzuur, niet-toxische materialen die verder worden gereduceerd tot CO₂ en water wanneer ingenomen door microben.

"Als je polymeerafbraakproducten zou moeten eten, zouden deze degene zijn die je wilt," zegt Coates.

Het is onwaarschijnlijk dat poly (polypropyleensuccinaat) ooit minder zal kosten op een pond-voor-pond basis dan conventioneel polyethyleen, maar de unieke kristallijne structuur suggereert dat het beter zou kunnen presteren dan zijn petroleum-tegenhanger. Als dat zo is, kunnen fabrikanten van biokunststoffen op een dag concurreren met de hedendaagse kunststofindustrie door dingen als melkkannen te maken met aanzienlijk minder materiaal dan op petroleum gebaseerde kunststoffen.

Uphill Battle

In plaats van ingrijpende overheidsvoorschriften die een prijs op koolstof heffen of alle plastics vereisen om biologisch af te breken, zullen biokunststoffen manieren moeten vinden om conventionele kunststoffen te overtreffen als ze ooit meer dan niche-toepassingen gaan vullen.

Het is een zware strijd, maar een die een ander eenmalig product, het zonnepaneel, wint in toenemende mate.

In 2007 maakte zonne-energie minder dan 0.1 procent uit van de Amerikaanse elektriciteitsopwekking. Dankzij vindingrijkheid en innovatie is de prijs van fotovoltaïsche modules gedaald van US $ 4 per watt naar $ 0.50 per watt, waardoor zonne-energie de snelst groeiende bron van elektriciteit in het land is.

Zouden de mensen die aan biokunststoffen werken een soortgelijke verandering van de zeegang zien? Uiteindelijk zal veel waarschijnlijk niet alleen rijden op hoe goed hun producten kapot gaan, maar ook op hoeveel ze de concurrentiepositie van conventionele kunststof kunnen afbreken.

Over de auteur

Phil McKenna is een freelance schrijver die geïnteresseerd is in de convergentie van fascinerende individuen en intrigerende ideeën. Hij schrijft vooral over energie en het milieu met een focus op de personen achter het nieuws. Zijn werk verschijnt in De New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATERIEEL en NOVA, waar hij een bijdragende redacteur is.

Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Ensia

Verwante Boek:

at

Bedankt voor het bezoeken InnerSelf.com, waar er zijn 20,000+ levensveranderende artikelen waarin ‘nieuwe attitudes en nieuwe mogelijkheden’ worden gepromoot. Alle artikelen zijn vertaald naar 30+ talen. Inschrijven aan InnerSelf Magazine, dat wekelijks verschijnt, en Marie T Russell's Daily Inspiration. InnerSelf Magazine verschijnt sinds 1985.