Оскільки полімери на основі нафти забруднюють наш океан і засмічують наше життя, дослідники шукають більш екологічно чисті способи задоволення попиту на міцні, універсальні матеріали. Flickr: Фото Бо Ейде (Flickr/Creative Commons) 

29 липня 2015 р. - Доля Світового океану може опинитися в резервуарі з нержавіючої сталі, не зовсім розміром з маленьку пивну бочку. Усередині генетично модифіковані бактерії перетворюють кукурудзяний сироп на збиваючу масу полімерів, які можна використовувати для виробництва найрізноманітніших звичайних пластмас.

«Це трохи схоже на приготування йогурту, - каже Олівер Піплс, головний науковий співробітник Metabolix, Inc.

Компанія, що базується в Кембриджі, штат Массачусетс, де біопластик формується в камерах ферментації в лабораторних масштабах, є одним із зростаючої кількості підприємств та установ, які працюють над розробкою економічно вигідних, більш екологічно чистих замінників звичайних пластмас, які виготовляються з викопного палива, зазнають краху розкладаються і перетворюють наш океан на моря з плаваючого пластику.

"Ми бачили це величезне збільшення виробництва пластику, що також призводить до збільшення потоку відходів", - каже Дженна Джамбек, викладач екологічної інженерії в Університеті Джорджії. «На відміну від матеріалу, який біорозкладається, пластик має всі ці проблеми. Він легко рухається у водні шляхи, він фізично розпадається на менші шматки, які надзвичайно важко або неможливо зібрати, і [він має тенденцію] поглинати хімічні забруднення, які вже є у навколишньому середовищі ».

Близько 4.8 млн. До 12.7 млн. Метричних тонн (5.3 млн. До 14 млн. Тонн) пластику, або до 4 відсотків із приблизно 300 млн. Метричних тонн (330 млн. Тонн) пластику, що виробляється щороку, потрапило в океан як сміття у 2010 році. Очікується, що ця цифра збільшиться в 10 разів протягом наступного десятиліття, оскільки виробляється більше пластику, а згодом ухиляється від поводження з відходами та утилізації, згідно з дослідженням Джамбека та його колег опублікований на початку цього року в журналі наука.

Який вплив весь цей пластик робить на живі істоти, включаючи людей, залишається незрозумілим. Ряд останніх досліджень показує, що хімічні речовини в невеликих шматочках пластику, і навіть самі пластикові шматочки, можуть накопичуватися в птахах, рибах та інших морських мешканцях. Лабораторні випробування показали, що хімічні речовини, що входять до їх складу, можуть викликати несприятливі наслідки для здоров'я, включаючи пошкодження печінки та ендокринні порушення через зміну експресії генів. Чи подібні ефекти відбуваються поза лабораторією, чи вони поширюють харчовий ланцюг на людей, які харчуються морськими організмами, залишається невідомим, проте обидва виглядають цілком правдоподібними.

І це ще не все. Пластик також відомий у відділі парникових газів. Згідно з даними останній звіт Інституту Всесвітньої Вахти.

"Навіть якщо люди відчувають, що хотіли б використовувати менше пластику, а не більше, справа в тому, що пластик - це сучасні матеріали, які роблять автомобілі легшими, очищають воду та додають величезну користь застосункам для охорони здоров'я та безпеки". - Марк Хілм’єр Чому б не просто скоротити використання? По -перше, пластмаси неймовірно універсальні, вони задовольняють цілий спектр потреб у гнучкості, вартості та інших параметрах, яким важко підібрати замінні матеріали. Мало того, замінні матеріали мають свій власний несприятливий вплив на навколишнє середовище, суспільство та здоров'я.

«Навіть якщо люди відчувають, що хотіли б використовувати менше пластику, а не більше, факт полягає в тому, що пластик - це сучасні матеріали, які роблять автомобілі легшими, очищають воду і додають величезну користь застосункам для охорони здоров'я та безпеки», - говорить Марк Хілмайер, директора Центр стійких полімерів в університеті Міннесоти в Міннеаполісі.

Іншими словами, існують вагомі причини для пошуку більш стійких альтернатив звичайним пластмасам - а саме, пластиків на рослинній основі. Такі так звані біопластики здатні руйнуватися, різко знижуючи ризик їх забруднення на суші або в морі. Вони також зменшують нашу залежність від викопного палива, зменшуючи вуглецевий слід пластику. Згідно з даними, викиди парникових газів, пов'язані з біопластиком, на 26 відсотків нижче, ніж зі звичайним пластиком останній аналіз життєвого циклу пластику на основі кукурудзи та нафти дослідниками з Мічиганського державного університету.

Нові альтернативи

Однак знайти альтернативи, що розкладаються, не на основі нафти, сучасним пластмасам непросто. Пластик, виготовлений з кукурудзи, цукрового очерету або інших рослинних матеріалів, не обов’язково розкладається, і погіршення стану, коли ви цього хочете, може бути складним.

"Ви не хочете, щоб ваш поліетиленовий пакет руйнувався, коли ви ним користуєтесь", - каже Хіллмайер. "З іншого боку, ви хочете, щоб він швидко погіршився, якщо потрапити в інше середовище".

У той час як хімікам було важко переформулювати пластмаси на основі нафти, щоб вони могли деградувати, з'являється ряд альтернатив, що розкладаються на біологічній основі.

Незважаючи на ці та інші нещодавні успіхи, біопластик залишається крихітною частиною галузі в цілому. Компанія Natureworks, що базується в Міннетонці, штат Міннесота, є одним з провідних світових виробників біопластику. Компанія виробляє полімолочну кислоту, або PLA, біологічно розкладається пластик, який вона отримує з кукурудзяного крохмалю, і перетворює на широкий спектр споживчих товарів-включаючи одноразовий посуд, чашки та упаковку-які розкладаються після закінчення терміну їх експлуатації. Початкове виробниче підприємство компанії в Блері, штат Небраска, з’явилося в мережі в 2002 році і може виробляти 140,000 150,000 тонн (XNUMX XNUMX тонн) PLA на рік. Нещодавно компанія оголосила про плани відкрити другий завод у Південно -Східній Азії, який би використовував цукровий очерет як сировину.

Іншим провідним виробником біопластику є компанія Coca-Cola, яка у 2009 році випустила PlantBottle-пляшку для напоїв з поліетилентерефталату-ПЕТ-яка містить до 30 відсотків матеріалів на біологічній основі. Пляшки не піддаються розкладанню, але, на відміну від більшості пластмас на біологічній основі, їх можна переробляти разом із звичайним ПЕТ, звичайно переробленим пластиком. З 2009 року компанія випустила 35 мільярдів своїх оригінальних PlantBottles. У червні 2015 року компанія представила нову версію на 100 відсотків на біобазі.

Незважаючи на ці та інші нещодавні успіхи, біопластик залишається крихітною частиною галузі в цілому. Матеріали добре підходять для продуктів одноразового використання, таких як ложки та пляшки, де споживачі готові платити премію за більш стійкі продукти. Висока міцність, менш помітні застосування-наприклад, водопровідні труби з ПВХ, які зазвичай використовуються в житлових та комерційних сантехніках-все ще повністю виготовляються зі звичайного пластику. Загалом менше 0.5 відсотка всього пластику надходить з ненафтових джерел, за даними Товариства пластмасової промисловості, промислової торгової групи, що базується у Вашингтоні, округ Колумбія

Урядове регулювання, однак, призводить до збільшення використання біопластику. У 2014 році штат Іллінойс заборонив мікрогранулу, крихітні пластикові абразиви, які зазвичай використовуються для скрабування обличчя, шампуню та зубної пасти, через побоювання щодо погіршення стану навколишнього середовища у Великих озерах. У діаметрі менше одного міліметра мікрошарики занадто малі, щоб їх можна було фільтрувати системами очищення стічних вод, і вони були виявлені як у прісноводному, так і в морському середовищі.

Споживчі товари, які можна виготовити з біорозкладаного PHA, включають мішки, посуд та куртки для електричних кабелів. Фото надано Metabolix.

З огляду на федеральну заборону на використання мікрогранул, у березні Metabolix у партнерстві з Honeywell виробляє біорозкладану альтернативу мікрошарикам. Мікрошарики, які розробляють дві компанії, виготовлені з полігідроксиалканоатів, або PHA, пластику на біологічній основі, який дорожчий, але й більш універсальний, ніж PLA. Мікробусинки, які розробляють дві компанії, виготовляються шляхом бродіння кукурудзяного крохмалю, хоча їх також можна виготовити з непродовольчих культур, таких як трава. Мікрошарики PHA розкладаються на вуглекислий газ та воду протягом кількох місяців з тією ж швидкістю, що і целюлоза або папір.

Навколо нижньої сторони

Оскільки ми збільшуємо залежність від пластмаси, отриманої з таких культур, як кукурудза або цукровий очерет, ми можемо ненароком внести нові екологічні проблеми. Недавнє дослідження в журналі Чистіше виробництво відзначено біопластик, вирощений із сільськогосподарських сировин використовувати значну кількість води, пестицидів та добрив що може спричинити забруднення повітря та води та конкурувати за землю з сільськогосподарськими культурами.

Одним із можливих способів обійти негативні сторони рослинної пластмаси, одночасно зменшуючи залежність від нафти, є використання CO₂ натомість як сировина. Компанія Novomer, виділена з досліджень в Університеті Корнелла в Ітаці, штат Нью-Йорк, перетворює відходи CO₂ з заводів з виробництва етанолу в пластик. Компанія виробляє поліоли - полімери, які використовуються для виготовлення гнучкої піни, що міститься в матрацах, подушках для сидінь та ізоляції, а також у ряді спеціальних покриттів та герметиків.

"Якби ваш матрац був виготовлений з нашого матеріалу, це було б приблизно 22 відсотки за вагою діоксиду вуглецю", - говорить Пітер Шепард, виконавчий віце-президент з питань полімерів Novoer. "Потрібен парниковий газ, який є відходом, і перетворює його на цінний продукт ".

Зазвичай CO₂ занадто інертний, щоб реагувати з іншими сполуками, що ускладнює його використання в пластмасах або інших сферах застосування. Джеффрі Коутс, професор хімії в Корнельському університеті на Ітаці та співзасновник компанії Novomer, розробив каталізатор, що підвищує реакційну здатність CO₂ одночасно уповільнюючи реакційну здатність іншого ключового інгредієнта поліолу - полегшуючи включення CO₂ в отриманий полімер.

"Це так, ніби у вас є діти, і ви даєте їм піцу та брокколі, і щоразу, коли їсте піцу, говорите, що вам потрібно перекусити брокколі", - каже Коутс, який також є членом Центру стійких полімерів .

Найбільший виклик для біопластів полягає в тому, що вони конкурують зі звичайними пластмасами, неймовірно недорогими матеріалами, які були відточені протягом останніх 60 років, каже Шеер. Поліоли виробництва Novomer розкладаються, але втрачають свою здатність до розкладання у поєднанні з хімічними речовинами на основі нафти. піна.

Хоча зараз компанія зосереджена на виробництві пінопластів та герметиків, Шепард каже, що компанія "Новомер"₂Полімери на основі полімерів можуть бути використані для виготовлення розкладаються пластмас із вмістом CO₂ вміст до 50 відсотків.

Найбільший виклик

Незважаючи на сильне зростання в останні роки, деякі кажуть, що біопластик не виправдав свого потенціалу.

«Індустрії біопластику не вдалося створити полімери, досить привабливі з точки зору ціноутворення та властивостей, які змусять світ змінитись»,-говорить Фредерік Шеєр, колишній генеральний директор Cereplast, колись провідної компанії з виробництва біопластику який оголосив про банкрутство у 2014 році.

Найбільший виклик для біопластику полягає в тому, що вони конкурують зі звичайними пластиками, неймовірно недорогими матеріалами, які були відточені протягом останніх 60 років, каже Шеер.

"Люди дещо усвідомлюють вплив на навколишнє середовище матеріалів на основі нафти, які не розкладаються біологічно, але вони не готові витрачати зайві долари на просування [нових] видів матеріалів",-каже він.

Конкуренція з пластиком на нафтовій основі лише посилилася за останній рік, оскільки ціна на нафту впала вдвічі. "Для того, щоб бути конкурентоспроможними з традиційними матеріалами на нафтовій основі, нам потрібно було, щоб ціна на нафту становила десь 130-140 доларів за барель",-говорить Шеер. "Очевидно, що за 50 доларів за барель ми далекі від того, щоб конкурувати".

Шеер каже, що здатність виробляти весь пластик у світі з ненафтових джерел існує, але для цього потрібна значна державна підтримка. "Це повинно бути обумовлено нормативно -правовими актами, які змусять вартість пластику та нафту бути значно вищими, ніж зараз", - каже він.

Конкурент поліетилену?

Якщо стійкі пластмаси, які зменшують нашу залежність від викопного палива та погіршуються після закінчення терміну їх експлуатації, стануть популярними, їм доведеться мати можливість замінюватись не тільки для мікрошариків, пінопласту та інших спеціальних застосувань, а й для термопластів - низький -дорогі формувані полімери, які складають понад 80 відсотків із сотень мільйонів тонн пластику, що виробляється щороку.

Зараз Коутс працює над створенням нового біополімеру з властивостями, порівнянними з поліетиленом або, можливо, з ним краще, найпоширенішим термопластиком, який використовується для виготовлення всього - від мішків для сміття, пляшок для води до пластикових іграшок.

Навіть тонкий шар поліетилену неймовірно міцний, що робить, наприклад, поштові конверти, які практично неможливо відкрити без ножиць або глечиків для молока, які не ламаються при падінні на підлогу. "Більшою мірою це тому, що це напівкристалічний матеріал", - говорить Коутс. "[Полімерні] ланцюжки упаковані поруч один з одним дуже щільно і специфічно, що в цілому надає досить вражаючі властивості".

В Дослідження 2014 року, опубліковане в Журнал Американського хімічного товаристваКоутс та його колеги з Cornell описали новий матеріал з напівкристалічною структурою, який виготовлений із сировини з цукру та має властивості, подібні до поліетилену, але краще розкладається після закінчення терміну експлуатації.

"Це не відбувається за одну ніч, але я думаю, що є певні позитивні [вказівки на те, що він] може бути реальним конкурентом для такого пластику, як поліетилен", - говорить Хілмер.

Новий матеріал, відомий як полі (поліпропіленовий сукцинат), не тестувався, щоб побачити, як швидко він розкладеться на звалищі або в морському середовищі. Але, виходячи зі свого складу, Коутс каже, що він повинен почати деградувати у воді через кілька місяців - період часу, який перевищить термін служби більшості продуктів одноразового використання. Полі (поліпропіленсукцинат) розпадається на пропіленгліколь та бурштинову кислоту, нетоксичні матеріали, які далі відновлюються до CO₂ і воду при попаданні мікробами.

«Якби вам доводилося їсти продукти розпаду полімерів, це були б саме ті продукти, які вам потрібні», - каже Коутс.

Навряд чи полі (поліпропіленовий сукцинат) буде коштувати дешевше за фунт за фунт, ніж звичайний поліетилен, але його унікальна кристалічна структура говорить про те, що він може працювати краще, ніж його аналог нафти. Якщо так, то виробники біопластику колись зможуть конкурувати з сучасною пластмасовою промисловістю, роблячи такі речі, як глечики для молока із значно меншою кількістю матеріалу, ніж пластмаси на основі нафти.

Битва під горами

Якщо не брати до уваги урядові нормативні акти, які встановлюють ціну на вуглець або вимагають біологічного розкладання всіх пластмас, біопластику доведеться шукати способи випередження звичайних пластмас, якщо вони коли -небудь збираються заповнювати більше, ніж сфери застосування.

Це важка битва, але інша, колись нішева продукція, сонячна панель, все більше виграє.

У 2007 році сонячна енергія становила менше 0.1 відсотка виробництва електроенергії США. Завдяки винахідливості та інноваціям ціна фотоелектричних модулів знизилася з 4 доларів США за ват до 0.50 доларів США за ват, що зробило сонячну енергію найшвидшим джерелом електроенергії в країні.

Чи можуть ті, хто працює над біопластиком, побачити подібну зміну? Зрештою, багато чого, ймовірно, буде залежати не тільки від того, наскільки якісно їхня продукція руйнується, а й від того, наскільки вони можуть зламати конкурентну перевагу звичайного пластику.

про автора

Філ Маккенна - незалежний письменник, зацікавлений у зближенні захоплюючих людей та інтригуючих ідей. Він в першу чергу пише про енергію та навколишнє середовище з акцентом на людей, які стоять за новинами. Його роботи з'являються в Команда New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, МАТЕРА та NOVA, де він є редактором.

Ця стаття спочатку з'явилася на Ensia

Пов’язана книга:

at

Дякуємо за відвідування InnerSelf.com, де є 20,000 + статті, що змінюють життя, пропагуючи «Нові погляди та нові можливості». Усі статті перекладено на 30+ мов. Підписуватися для журналу InnerSelf, що виходить щотижня, та щоденного натхнення Марі Т. Рассел. Журнал InnerSelf видається з 1985 року.