парникови газове

Биоразградима биопластика, направена от нишесте. Снимка: Wikimedia Commons

Биопластмасите често се рекламират като екологични, но отговарят ли на ажиотажа?

От 50-те години насам светът е произвел над девет милиарда тона пластмаса. 165 милиона тона от него са разрушили океана ни, като почти 9 милиона тона повече навлизат в океаните всяка година. Тъй като само около 9 процента от пластмасата се рециклира, голяма част от останалата замърсява околната среда или седи на сметища, където може да отнеме до 500 години, за да се разложи, докато извлича токсични химикали в земята.

Традиционната пластмаса се произвежда от суровини на петролна основа. Някои казват, че биопластиката - направена от 20 процента или повече от възобновяеми материали - може да бъде решението на замърсяването с пластмаса. Често цитираните предимства на биопластмасата са намалено използване на ресурсите на изкопаеми горива, по-малък въглероден отпечатък и по-бързо разграждане. Биопластиката също е по-малко токсична и не съдържа бисфенол А (BPA), разрушител на хормони, който често се среща в традиционните пластмаси.

Картик Чандран, професор в катедрата по инженерство на Земята и околната среда в Колумбийския университет, който работи върху биопластиката, смята, че в сравнение с традиционните пластмаси, „биопластиката е значително подобрение“.

Оказва се обаче, че биопластиката все още не е сребърният куршум за нашия пластмасов проблем.

Колко биоразградими са биопластмасите?

Тъй като често има объркване, когато говорим за биопластика, нека първо изясним някои термини.

Разградима - Цялата пластмаса е разградима, дори традиционната пластмаса, но това, че може да се разпадне на малки фрагменти или прах, не означава, че материалите някога ще се върнат в природата. Някои добавки към традиционните пластмаси ги карат да се разграждат по-бързо. Фоторазградимата пластмаса се разгражда по-лесно на слънчева светлина; оксоразградимата пластмаса се разпада по-бързо, когато е изложена на топлина и светлина.

Биоразградима - Биоразградимата пластмаса може да се разгради напълно до вода, въглероден диоксид и компост от микроорганизми при подходящи условия. „Биоразградимо“ означава, че разлагането се случва от седмици до месеци. Биопластмасите, които не се разграждат толкова бързо, се наричат ​​„трайни“, а някои биопластмаси, произведени от биомаса, които не могат лесно да бъдат разградени от микроорганизми, се считат за неразградими.

Пластмасата и стиропорът не се разпадат в общинска купчина компост. Снимка: Ckgurney

Компостируема - Компостируемата пластмаса ще се разгражда биологично в място за компост. Микроорганизмите го разграждат до въглероден диоксид, вода, неорганични съединения и биомаса със същата скорост като другите органични материали в купчината компост, без да остават токсични остатъци.

Видове биопластика

Понастоящем биопластмасата се използва в изделия за еднократна употреба като опаковки, контейнери, сламки, торби и бутилки, както и в килими за еднократна употреба, пластмасови тръби, корпуси за телефони, 3D печат, изолация на автомобили и медицински импланти. Очаква се глобалният пазар на биопластмаса да нарасне от 17 милиарда долара тази година до почти 44 милиарда долара през 2022 година.

Има два основни вида биопластика.

Нишестето от пшеница се превръща в пластмаса. Снимка: CSIRO

PLA (полиактична киселина) обикновено се произвежда от захари в царевично нишесте, маниока или захарна тръстика. Той е биоразградим, неутрален до въглерод и годен за консумация. За да се превърне царевицата в пластмаса, царевичните зърна се потапят в серен диоксид и гореща вода, където нейните компоненти се разграждат на нишесте, протеини и фибри. След това зърната се смилат и царевичното масло се отделя от нишестето. Нишестето се състои от дълги вериги от въглеродни молекули, подобни на въглеродните вериги в пластмасата от изкопаеми горива. Някои лимонени киселини се смесват, за да образуват дълговерижен полимер (голяма молекула, състояща се от повтарящи се по-малки единици), който е градивният елемент за пластмасата. PLA може да изглежда и да се държи като полиетилен (използван в пластмасови филми, опаковки и бутилки), полистирол (стиропор и пластмасови прибори за хранене) или полипропилен (опаковки, авточасти, текстил). Базираната в Минесота NatureWorks е една от най-големите компании, произвеждащи PLA под марката Ingeo.

PHA (полихидроксиалканоат) се произвежда от микроорганизми, понякога генно инженерство, които произвеждат пластмаса от органични материали. Микробите са лишени от хранителни вещества като азот, кислород и фосфор, но получават високи нива на въглерод. Те произвеждат PHA като въглеродни резерви, които съхраняват в гранули, докато имат повече от другите хранителни вещества, необходими за отглеждането и размножаването им. След това компаниите могат да събират произведената от микроби PHA, която има химическа структура, подобна на тази на традиционните пластмаси. Тъй като е биоразградим и няма да навреди на живата тъкан, PHA често се използва за медицински приложения като конци, прашки, костни пластини и заместители на кожата; използва се и за опаковане на храни за еднократна употреба.

Страничните ефекти от производството на биопластмаси

Докато биопластмасата обикновено се счита за по-екологична от традиционната пластмаса, проучване от 2010 г. от университета в Питсбърг установи, че не е задължително да е вярно, когато се вземат предвид жизнения цикъл на материалите.

Изследването сравнява седем традиционни пластмаси, четири биопластмаси и една, произведена както от изкопаеми горива, така и от възобновяеми източници. Изследователите установяват, че производството на биопластмаса води до по-големи количества замърсители, поради торовете и пестицидите, използвани при отглеждането на културите и химическата обработка, необходима за превръщането на органичния материал в пластмаса. Биопластиката също допринася повече за разрушаването на озона, отколкото традиционната пластмаса, и изисква широко използване на земята. Установено е, че B-PET, хибридната пластмаса, има най-висок потенциал за токсични ефекти върху екосистемите и най-много канцерогени и е постигнал най-лошото в анализа на жизнения цикъл, тъй като комбинира отрицателното въздействие както на земеделието, така и на химическата обработка.

3D отпечатан PLA чайник. Снимка: CreativeTools

Биопластмасите произвеждат значително по-малко емисии на парникови газове от традиционните пластмаси през целия си живот. Няма нетно увеличение на въглеродния диоксид, когато те се разпаднат, тъй като растенията, произведени от биопластика, абсорбират същото количество въглероден диоксид, както са израснали. Проучване от 2017 г. установи, че преминаването от традиционна пластмаса към PLA на основата на царевица би намалило емисиите на парникови газове в САЩ с 25%. Проучването също така заключава, че ако традиционните пластмаси се произвеждат с използване на възобновяеми енергийни източници, емисиите на парникови газове могат да бъдат намалени с 50 до 75 процента; биопластмасите, които в бъдеще могат да се произвеждат с възобновяема енергия, показват най-голямо обещание за значително намаляване на емисиите на парникови газове.

Други проблеми

Въпреки че биоразградимостта на биопластмасите е предимство, повечето се нуждаят от съоръжения за високотемпературно промишлено компостиране, за да се повредят и много малко градове разполагат с необходимата инфраструктура за справяне с тях. В резултат на това биопластмасите често попадат в сметища, където лишени от кислород, те могат да отделят метан, парников газ, 23 пъти по-мощен от въглеродния диоксид.

Рециклиран PET. Снимка: MichalManas

Когато биопластмасите не се изхвърлят правилно, те могат да замърсят партидите рециклирана пластмаса и да навредят на инфраструктурата за рециклиране. Ако биопластмасата замърси рециклиран PET (полиетилен терефталат, най-често използваната пластмаса, използвана за бутилки с вода и сода), например, цялата партида може да бъде отхвърлена и да попадне в сметище. Затова са необходими отделни потоци за рециклиране, за да може правилно да се изхвърлят биопластмасите.

Земята, необходима за биопластика, се конкурира с производството на храни, тъй като културите, които произвеждат биопластмаси, могат да се използват и за хранене на хората. Проектите на коалицията за замърсяване с пластмаса, които за да отговорят на нарастващото глобално търсене на биопластмаси, ще са необходими повече от 3,4 милиона акра земя - площ, по-голяма от Белгия, Холандия и Дания, взети заедно, за да отглеждат реколтата до 2019 г. Освен това петролът използвана за управление на селскостопанската техника произвежда емисии на парникови газове.

Биопластиката също е сравнително скъпа; PLA може да бъде с 20 до 50 процента по-скъпо от сравними материали поради сложния процес, използван за превръщане на царевица или захарна тръстика в градивните елементи за PLA. Цените обаче намаляват, тъй като изследователите и компаниите разработват по-ефективни и екологични стратегии за производство на биопластика.

От отпадъчни води до биопластика

Студентите от Kartik Chandran и Columbia разработват системи за производство на биоразградима биопластика от отпадъчни води и твърди отпадъци. Чандран използва смесена микробна общност, която се храни с въглерод под формата на летливи мастни киселини, като оцетна киселина в оцета.

Неговата система работи чрез подаване на отпадъчни води в биореактор. Вътре микроорганизмите (различни от бактериите, произвеждащи пластмаса) превръщат органичния въглерод на отпадъците в летливи мастни киселини. След това изтичането се изпраща във втори биореактор, където микробите, произвеждащи пластмаса, се хранят с летливи мастни киселини. Тези микроби непрекъснато се подлагат на празнични фази, последвани от гладни фази, по време на които те съхраняват въглеродните молекули като PHA.

Chandran експериментира с по-концентрирани потоци отпадъци, като хранителни отпадъци и твърди човешки отпадъци, за да произвежда летливите мастни киселини по-ефективно. Фокусът на неговите изследвания е както да максимизира производството на PHA, така и да интегрира отпадъците в процеса. „Искаме да изцедим колкото можем [от двете системи]“, каза Чандран.

Той вярва, че неговата интегрирана система би била по-рентабилна от методите, използвани в момента за производство на биопластмаси, които включват закупуване на захари, за да се получи PHA. „Ако интегрирате пречистването на отпадъчни води или преодолеете предизвикателствата с отпадъците от храни с производството на биопластмаси, това е доста благоприятно [икономически]“, каза Чандран. „Защото, ако трябваше да се мащабираме и да влезем в търговски режим, щяхме да получим заплата за извозване на хранителните отпадъци, а след това щяхме да получим заплата и за производство на биопластмаси.“ Чандран се надява да затвори цикъла, така че един ден отпадъчните продукти рутинно да служат като ресурс, който може да се превърне в полезни продукти като биопластмаса.

Други обещаващи алтернативи

Биопластмасата с пълен цикъл в Калифорния също произвежда PHA от органични отпадъци като хранителни отпадъци, остатъци от култури като стъбла и негодни за консумация листа, градински отпадъци и нерециклирана хартия или картон. Използва се за направа на торби, съдове, прибори за хранене, бутилки с вода и шампоан, тази биопластика е компостируема, морска разградима (което означава, че ако попадне в океана, може да служи като храна за риби или бактерии) и няма токсични ефекти. Пълен цикъл може да обработи PHA в края на живота си и да го използва, за да направи отново девствена пластмаса.

Базираната в Пенсилвания Renmatix използва дървесна биомаса, енергийни треви и растителни остатъци вместо по-скъпи хранителни култури. Технологията отделя захарите от биомасата, като използва вода и топлина вместо киселини, разтворители или ензими в сравнително чист, бърз и евтин процес. След това и захарите, и лигнинът от биомасата се използват като градивни елементи за биопластика и други биопродукти.

В Мичиганския държавен университет учените се опитват да намалят производствените разходи за биопластмаса чрез използването на цианобактерии, известни още като синьо-зелени водорасли, които използват слънчева светлина за производство на химични съединения чрез фотосинтеза. Вместо да захранват пластмасовите си бактерии, произвеждащи захар от царевица или захарна тръстика, тези учени променят цианосите, за да отделят непрекъснато захарта, която естествено произвеждат. След това бактериите, произвеждащи пластмаса, консумират захарта, произведена от цианосите, които са многократно използваеми.

Цианобактериите могат да се използват за хранене на микробите, които създават биопластмаса. Снимка: DBCLS

Изследователи от Станфордския университет и базираната в Калифорния стартираща компания Mango Materials трансформират метановия газ от пречиствателни станции или депа за отпадъци в биопластични. Метанът се подава към бактерии, произвеждащи пластмаса, които го трансформират в PHA, който компанията продава на производителите на пластмаса. Използва се за пластмасови капачки, бутилки шампоан или биополиестерни влакна, които могат да се комбинират с естествени материали за облекло. Биопластмасата ще се разгради обратно в метан и ако достигне океана, може да се усвои естествено от морски микроорганизми.

Центърът за устойчиви технологии към Университета на Бат в Англия произвежда поликарбонат от захари и въглероден диоксид за използване в бутилки, лещи и покрития за телефони и DVD дискове. Традиционната поликарбонатна пластмаса се произвежда с използване на BPA (забранено за употреба в бебешки бутилки) и токсичния химичен фосген. Изследователите от Bath са открили по-евтин и безопасен начин да го направят, като добавят въглероден диоксид към захарите при стайна температура. Почвените бактерии могат да разградят биопластика до въглероден диоксид и захар.

Екологичните опаковки, направени от мицел, имат за цел изцяло да заменят пластмасата. Снимка: mycobond

И тогава има онези, които разработват иновативни начини за цялостно заместване на пластмасата. Японската дизайнерска компания AMAM произвежда опаковъчни материали, направени от агар в червени морски водорасли. Министерството на земеделието на САЩ разработва биоразградим и годен за консумация филм от млечния протеин казеин за увиване на храната; 500 пъти е по-добре да поддържате храната свежа от традиционното пластмасово фолио. А базираната в Ню Йорк Ecovative използва мицел, вегетативната разклоняваща се част от гъбички, за да направи Mushroom Materials, за биоразградими опаковъчни материали, плочки, плантатори и други.

В момента е трудно да се твърди, че биопластмасите са по-екологични от традиционните пластмаси, когато се вземат предвид всички аспекти на техния жизнен цикъл: използване на земята, пестициди и хербициди, потребление на енергия, използване на вода, парникови газове и метан, биоразградимост, рециклируемост и други . Но докато изследователите по целия свят работят за разработването на по-зелени сортове и по-ефективни производствени процеси, биопластмасите обещават да помогнат за намаляване на замърсяването с пластмаса и за намаляване на въглеродния отпечатък.