Sandheden om bioplast

Bioplast bliver ofte udråbt som værende miljøvenligt, men lever de op til hypen?

Verden har produceret over ni milliarder tons plastik siden 1950'erne. 165 millioner tons af det har kastet vores hav, med næsten 9 millioner flere tons, der kommer ind i havene hvert år. Da kun omkring 9 procent af plastikken bliver genbrugt, meget af resten forurener miljøet eller ligger på lossepladser, hvor det kan tage op til 500 år at nedbryde, mens giftige kemikalier udvaskes i jorden.

Traditionel plast er lavet af petroleumsbaserede råvarer. Nogle siger, at bioplast - lavet af 20 procent eller mere af vedvarende materialer - kunne være løsningen på plastikforurening. De ofte nævnte fordele ved bioplast er reduceret brug af fossile brændstoffer, et mindre CO2-fodaftryk, og hurtigere nedbrydning. Bioplast er også mindre giftigt og indeholder ikke bisphenol A (BPA), et hormonforstyrrende middel, der ofte findes i traditionel plast.

Kartik Chandran, en professor i Earth and Environmental Engineering Department ved Columbia University, der arbejder med bioplastik, mener, at sammenlignet med traditionel plast, "bioplastik er en væsentlig forbedring."

Imidlertid, det viser sig, at bioplast endnu ikke er sølvkuglen til vores plastikproblem.

Hvor biologisk nedbrydeligt er bioplast?

Da der ofte er forvirring, når man taler om bioplast, lad os afklare nogle udtryk først.

• Nedbrydeligt – Alt plastik er nedbrydeligt, selv traditionel plastik, men bare fordi det kan nedbrydes i små fragmenter eller pulver, betyder det ikke, at materialerne nogensinde vender tilbage til naturen. Nogle tilsætningsstoffer til traditionel plast får dem til at nedbrydes hurtigere. Fotonedbrydelig plast nedbrydes lettere i sollys; oxo-nedbrydelig plast nedbrydes hurtigere, når den udsættes for varme og lys.
• Biologisk nedbrydeligt – Biologisk nedbrydeligt plastik kan nedbrydes fuldstændigt til vand, kuldioxid og kompost af mikroorganismer under de rette forhold. "Bionedbrydeligt" betyder, at nedbrydningen sker på uger til måneder. Bioplast, der ikke nedbrydes så hurtigt, kaldes "holdbar, " og noget bioplast fremstillet af biomasse, der ikke let kan nedbrydes af mikroorganismer, anses for ikke-biologisk nedbrydeligt.
• Komposterbar – Komposterbar plast nedbrydes biologisk på et kompoststed. Mikroorganismer nedbryder det til kuldioxid, vand, uorganiske forbindelser og biomasse i samme hastighed som andre organiske materialer i kompostbunken, efterlader ingen giftige rester.

Typer af bioplast

Bioplast bruges i øjeblikket i engangsartikler som emballage, containere, sugerør, poser og flasker, og i ikke-engangstæppe, plastik rør, telefon etuier, 3-D print, bilisolering og medicinske implantater. Det globale bioplastmarked forventes at vokse fra $17 milliarder i år til næsten $44 milliarder i 2022.

Der er to hovedtyper af bioplast.

PLA (polyactic acid) fremstilles typisk af sukkerarterne i majsstivelse, kassava eller sukkerrør. Det er biologisk nedbrydeligt, kulstofneutral og spiselig. At omdanne majs til plastik, majskerner nedsænkes i svovldioxid og varmt vand, hvor dets komponenter nedbrydes til stivelse, protein, og fiber. Herefter males kernerne, og majsolien skilles fra stivelsen. Stivelsen består af lange kæder af kulstofmolekyler, svarende til kulstofkæderne i plastik fra fossile brændstoffer. Nogle citronsyrer blandes i for at danne en langkædet polymer (et stort molekyle bestående af gentagne mindre enheder), der er byggestenen til plast. PLA kan se ud og opføre sig som polyethylen (bruges i plastikfilm, pakning og flasker), polystyren (styrofoam og plastik bestik) eller polypropylen (emballage, Autodele, tekstiler). Minnesota-baserede NatureWorks er en af ​​de største virksomheder, der producerer PLA under varemærket Ingeo.

PHA (polyhydroxyalkanoat) fremstilles af mikroorganismer, nogle gange gensplejsede, der producerer plast af organiske materialer. Mikroberne er frataget næringsstoffer som nitrogen, ilt og fosfor, men givet høje niveauer af kulstof. De producerer PHA som kulstofreserver, som de opbevarer i granulat, indtil de har flere af de andre næringsstoffer, de skal bruge for at vokse og formere sig. Virksomheder kan derefter høste den mikrobefremstillede PHA, som har en kemisk struktur svarende til traditionel plast. Fordi det er biologisk nedbrydeligt og ikke vil skade levende væv, PHA bruges ofte til medicinske formål såsom suturer, slynger, knogleplader og huderstatninger; det bruges også til engangsemballage til fødevarer.

Bivirkningerne af bioplastproduktion

Mens bioplast generelt anses for at være mere miljøvenligt end traditionel plast, en undersøgelse fra 2010 fra University of Pittsburgh fandt, at det ikke nødvendigvis var sandt, når materialernes livscyklusser blev taget i betragtning.

Undersøgelsen sammenlignede syv traditionelle plastik, fire bioplast og en fremstillet af både fossilt brændstof og vedvarende kilder. Forskerne fastslog, at produktion af bioplast resulterede i større mængder af forurenende stoffer, på grund af de gødninger og pesticider, der bruges til at dyrke afgrøderne, og den kemiske forarbejdning, der skal til for at omdanne organisk materiale til plast. Bioplasten bidrog også mere til ozonnedbrydningen end den traditionelle plastik, og krævede omfattende arealanvendelse. B-PET, hybrid plast, viste sig at have det højeste potentiale for toksiske effekter på økosystemer og de fleste kræftfremkaldende stoffer, og scorede dårligst i livscyklusanalysen, fordi den kombinerede de negative påvirkninger fra både landbrug og kemisk forarbejdning.

Bioplast producerer betydeligt færre drivhusgasemissioner end traditionel plast i løbet af deres levetid. Der er ingen nettostigning i kuldioxid, når de nedbrydes, fordi de planter, som bioplast er lavet af, absorberede den samme mængde kuldioxid, som de voksede. En undersøgelse fra 2017 fastslog, at skift fra traditionel plastik til majsbaseret PLA ville reducere de amerikanske drivhusgasemissioner med 25 procent. Undersøgelsen konkluderede også, at hvis traditionel plast blev produceret ved hjælp af vedvarende energikilder, drivhusgasemissioner kan reduceres med 50 til 75 procent; imidlertid, bioplast, der i fremtiden kunne blive produceret med vedvarende energi, viste mest lovende for en væsentlig reduktion af drivhusgasudledningen.

Andre problemer

Mens bioplastikkens bionedbrydelighed er en fordel, de fleste har brug for højtemperaturindustrielle komposteringsfaciliteter for at bryde ned, og meget få byer har den nødvendige infrastruktur til at håndtere dem. Som resultat, bioplast ender ofte på lossepladser, hvor iltmangel, de kan frigive metan, en drivhusgas 23 gange kraftigere end kuldioxid.

Når bioplast ikke kasseres korrekt, de kan forurene partier af genbrugsplast og skade genbrugsinfrastrukturen. Hvis bioplast forurener genanvendt PET (polyethylenterephthalat, den mest almindelige plastik, bruges til vand- og sodavandsflasker), for eksempel, hele partiet kan blive afvist og ende på en losseplads. Så separate genbrugsstrømme er nødvendige for at kunne kassere bioplast korrekt.

Den jord, der kræves til bioplast, konkurrerer med fødevareproduktion, fordi de afgrøder, der producerer bioplast, også kan bruges til at brødføde mennesker. Plastic Pollution Coalition projekterer, at for at imødekomme den voksende globale efterspørgsel efter bioplast, mere end 3,4 millioner acres jord - et område større end Belgien, Holland og Danmark tilsammen — vil være nødvendige for at dyrke afgrøderne i 2019. den olie, der bruges til at drive landbrugsmaskineriet, producerer drivhusgasemissioner.

Bioplast er også relativt dyrt; PLA kan være 20 til 50 procent dyrere end sammenlignelige materialer på grund af den komplekse proces, der bruges til at omdanne majs eller sukkerrør til byggestenene til PLA. Imidlertid, priserne falder i takt med, at forskere og virksomheder udvikler mere effektive og miljøvenlige strategier til at producere bioplast.

Fra spildevand til bioplast

Kartik Chandran og Columbia studerende er ved at udvikle systemer til at producere bionedbrydelig bioplast fra spildevand og fast affald. Chandran bruger et blandet mikrobesamfund, der lever af kulstof i form af flygtige fedtsyrer, såsom eddikesyre, der findes i eddike.

Hans system fungerer ved at føre spildevand ind i en bioreaktor. Inde, mikroorganismer (til forskel fra de plastproducerende bakterier) omdanner affaldets organiske kulstof til flygtige fedtsyrer. Udstrømningen sendes derefter til en anden bioreaktor, hvor de plastproducerende mikrober lever af de flygtige fedtsyrer. Disse mikrober udsættes konstant for festfaser efterfulgt af hungersnødfaser, hvorunder de lagrer kulstofmolekylerne som PHA.

Chandran eksperimenterer med mere koncentrerede affaldsstrømme, madaffald og fast menneskeligt affald, at producere de flygtige fedtsyrer mere effektivt. Fokus for hans forskning er både at maksimere PHA-produktionen og at integrere affald i processen. "Vi ønsker at presse så meget vi kan [ud af begge systemer], " sagde Chandran.

Han mener, at hans integrerede system ville være mere omkostningseffektivt end de metoder, der i øjeblikket bruges til at producere bioplast, der involverer at købe sukker for at fremstille PHA. "Hvis du integrerer spildevandsrensning eller adresserer madspildsudfordringer med bioplastproduktion, så er dette ret gunstigt [økonomisk], " sagde Chandran. "For hvis vi skulle opskalere og gå i kommerciel tilstand, vi ville blive betalt for at tage madaffaldet væk, og så ville vi blive betalt for at lave bioplast også." Chandran håber at lukke kredsen, så en dag, affaldsprodukter vil rutinemæssigt tjene som en ressource, der kan omdannes til nyttige produkter som bioplast.

Andre lovende alternativer

Full Cycle Bioplastics i Californien producerer også PHA fra organisk affald såsom madaffald, afgrøderester såsom stilke og uspiselige blade, haveaffald, og ikke-genbrugspapir eller pap. Bruges til at lave tasker, containere, bestik, vand og shampoo flasker, denne bioplast er komposterbar, marine nedbrydeligt (hvilket betyder, at hvis det ender i havet, det kan tjene som fiske- eller bakterieføde) og har ingen toksiske virkninger. Full Cycle kan behandle PHA'en ved slutningen af ​​dens levetid, og bruge det til at lave jomfruplast igen.

Pennsylvania-baserede Renmatix bruger træagtig biomasse, energigræsser og afgrøderester i stedet for dyrere madafgrøder. Dens teknologi adskiller sukker fra biomassen ved hjælp af vand og varme i stedet for syrer, opløsningsmidler eller enzymer i en forholdsvis ren, hurtig og billig proces. Både sukkerarterne og ligninet fra biomassen bruges derefter som byggesten til bioplast og andre bioprodukter.

På Michigan State University, forskere forsøger at reducere produktionsomkostningerne for bioplast gennem brug af cyanobakterier, også kendt som blågrønalger, der bruger sollys til at producere kemiske forbindelser gennem fotosyntese. I stedet for at fodre deres plastproducerende bakterier med sukker fra majs eller sukkerrør, disse videnskabsmænd justerede cyanoer til konstant at udskille det sukker, de naturligt producerer. De plastproducerende bakterier forbruger derefter sukkeret, der produceres af cyanoerne, som er genbrugelige.

Stanford University-forskere og Californien-baserede startup Mango Materials omdanner metangas fra spildevandsrensningsanlæg eller lossepladser til bioplast. Metanen tilføres plast-producerende bakterier, der omdanner det til PHA, som virksomheden sælger til plastproducenter. Det bruges til plastikhætter, shampooflasker eller biopolyesterfibre, der kan kombineres med naturlige materialer til tøj. Bioplasten vil bionedbrydes tilbage til metan, og hvis det når havet, kan fordøjes naturligt af marine mikroorganismer.

Center for Sustainable Technologies ved University of Bath i England fremstiller polycarbonat af sukkerarter og kuldioxid til brug i flasker, linser og belægninger til telefoner og dvd'er. Traditionel polycarbonatplast er fremstillet ved hjælp af BPA (forbudt at bruge i sutteflasker) og det giftige kemikalie fosgen. Bath-forskerne har fundet en billigere og mere sikker måde at gøre det på ved at tilsætte kuldioxid til sukkerstofferne ved stuetemperatur. Jordbakterier kan nedbryde bioplasten til kuldioxid og sukker.

Og så er der dem, der udvikler innovative måder at erstatte plastik helt på. Det japanske designfirma AMAM producerer emballagematerialer lavet af agaren i røde marinealger. Det amerikanske landbrugsministerium er ved at udvikle en bionedbrydelig og spiselig film fra mælkeproteinet kasein til at pakke mad ind i; den er 500 gange bedre til at holde maden frisk end traditionel plastfolie. Og New York-baserede Ecovative bruger mycelium, den vegetative forgrenende del af en svamp, at lave svampematerialer, til biologisk nedbrydeligt emballagemateriale, fliser, plantekasser og meget mere.

Lige nu, det er svært at påstå, at bioplast er mere miljøvenligt end traditionel plast, når alle aspekter af deres livscyklus tages i betragtning:arealanvendelse, pesticider og herbicider, energiforbrug, brug af vand, udledning af drivhusgasser og metan, biologisk nedbrydelighed, genanvendelighed og meget mere. Men mens forskere rundt om i verden arbejder på at udvikle grønnere sorter og mere effektive produktionsprocesser, bioplast har et løfte om at hjælpe med at mindske plastikforurening og reducere vores CO2-fodaftryk.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.