Поскольку нефтяные полимеры на основе загрязнять наши океаны и подстилка наши жизни, исследователи ищут более экологичные способы удовлетворения спроса на прочных, универсальных материалов. Flickr: Фото Бо Эйде (Flickr / Creative Commons) 

Июль 29, 2015 - Судьба Мирового океана может окунуться в резервуар из нержавеющей стали, размером с небольшой пивной бочонок. Внутри, генетически модифицированные бактерии превращают кукурузный сироп в вспенивающуюся массу полимеров, которые могут быть использованы для производства широкого спектра обычных пластмасс.

«Это немного похоже на приготовление йогурта», - говорит Оливер Народы, главный научный сотрудник Metabolix, Inc.

Кембридж, штат Массачусетс-компания, где биопластика складываться в лабораторном масштабе бродильных камер является одним из растущего числа предприятий и учреждений, работающих в сфере разработки экономически конкурентоспособной, более экологически чистые замены для обычных пластмасс, которые сделаны из ископаемого топлива, терпеть неудачу разлагаться и превращают наши океаны в море плавающих пластика.

«Мы видели этот огромный рост производства в пластмассе, что также приводит к увеличению потока отходов, - говорит Дженна Джамбек, член факультета экологического проектирования в Университете Джорджии. «В отличие от материала, который биодеградирует, у пластика есть все эти проблемы. Он легко перемещается по водным путям, он физически обрывается на более мелкие кусочки, которые чрезвычайно трудно или невозможно собрать, и [он стремится] поглощать химические загрязнители, которые уже находятся в окружающей среде ».

Некоторое количество 4.8 до 12.7 миллионов метрических тонн (5.3 миллионов до 14 миллионов тонн) пластика или до 4 процентов примерно 300 миллионов метрических тонн (330 миллионов тонн) пластика, производимого каждый год, входило в океан как мусор в 2010. Ожидается, что эта цифра увеличится в 10-fold в следующем десятилетии, поскольку будет произведено больше пластика, а затем уклонится от управления отходами и утилизации отходов, говорится в исследовании Jambeck и его коллеги опубликованной ранее в этом году В журнале Наука.

Какое влияние оказывает этот пластик на живые существа, включая людей, остается неясным, Ряд недавних исследований показывает, что химические вещества в небольших кусках пластика и даже сами пластиковые частицы могут накапливаться у птиц, рыб и других морских организмов. Лабораторные испытания показали, что химические вещества, которые их содержат, могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье, включая повреждение печени и эндокринные нарушения через измененную экспрессию гена. Похоже, что подобные эффекты происходят за пределами лаборатории или распространяются ли пищевая цепь на людей, которые едят морские организмы, пока неизвестны, но оба они кажутся вполне правдоподобными.

И это еще не все. Пластмассы печально известны в отделе парниковых газов, а также. Грубо 8 процентов нефти, используемой во всем мире каждый год идет, чтобы сделать пластик или непосредственно для питания процессов для производства пластиковых, в соответствии с недавний доклад Института Worldwatch.

«Несмотря на то, что люди чувствуют, что хотели бы использовать меньше пластика, а не больше, факт заключается в том, что пластмассы - это современные материалы, которые делают машины светлее, очищают воду и приносят огромную пользу для приложений для здоровья и безопасности». - Марк Хиллмайер. просто уменьшите наше использование? С одной стороны, пластмассы невероятно универсальны, удовлетворяя спектр потребностей в гибкости, стоимости и других параметрах, которые заменяют материалы, будут трудно сопоставляться. Не только это, но и замещающие материалы представляют собой неблагоприятные экологические, социальные и медицинские последствия.

"Даже если люди чувствуют, что они хотели бы использовать меньше пластика, а не более, факт в том, что пластмассы являются современные материалы, которые делают автомобили легче, очистить воду и добавить огромную пользу для приложений в области здравоохранения и безопасности," говорит Марк Hillmyer, директор Центр устойчивого полимеров в Университете Миннесоты в Миннеаполисе.

Другими словами, есть веские основания для использования более устойчивых альтернатив традиционным пластмассам, а именно пластмасс на основе растений. Такие так называемые биопластики способны разрушаться, что резко снижает риск того, что они окажутся в загрязнении земли или моря. Они также снижают нашу зависимость от ископаемого топлива, уменьшая углеродный след пластика. Выбросы парниковых газов, связанные с биопластами, на 26 процентов ниже, чем те, которые связаны с обычным пластиком, согласно недавний анализ жизненного цикла пластмассы на основе кукурузы и нефти исследователями из Мичиганского государственного университета.

Возникающие Альтернативы

Однако найти не-нефтяные, разложимые альтернативы сегодняшним пластикам нелегко. Пластмасса, изготовленная из кукурузы, сахарного тростника или другого растительного материала, не обязательно разлагается, а ухудшение происходит, когда вы хотите, чтобы это было сложно.

"Вы не хотите, чтобы ваш полиэтиленовый пакет деградировать в то время как вы используете его," говорит Hillmyer. "С другой стороны, вы хотите, чтобы она быстро деградируют, если положить в другую среду."

В то время как химики испытывали трудности переформулировав на нефтяной основе пластмассы, так что они могут деградировать, ряд биооснове, degradeable альтернативы появляются.

Несмотря на эти и другие недавние успехи, биопластики остаются крошечной частью отрасли в целом. Компания Natureworks, расположенная в Миннетонке, штат Миннесота, является одним из ведущих мировых производителей биопластиков. Компания производит полимолочную кислоту, или PLA, биоразлагаемый пластик, который она получает из кукурузного крахмала и производит для широкого спектра потребительских товаров, включая одноразовые столовые приборы, чашки и упаковку, которые разлагаются в конце своего срока службы. Первоначальный производственный объект компании в Блэре, штат Небраска, был запущен в 2002 году и может производить 140,000 150,000 метрических тонн (XNUMX XNUMX тонн) PLA в год. Недавно компания объявила о планах открыть второй завод в Юго-Восточной Азии, который будет использовать сахарный тростник в качестве сырья.

Другой ведущий производитель биопластика является Coca-Cola Company, которая в 2009 запустила PlantBottle, выпить бутылку, изготовленный из полиэтилентерефталата -ПЭТ - который содержит до 30 процентов биоматериалов материала. Бутылки не разлагаются, но, в отличие от большинства биоматериалов пластмасс, могут быть утилизированы вместе с обычным ПЭТ, широко переработанного пластика. Так как 2009 компания произвела 35 млрд своих первоначальных PlantBottles. В июне 2015 компания представила новую версию, которая 100 процентов биоматериалов.

Несмотря на эти и другие недавние успехи, биопластики остаются крошечной частью отрасли в целом. Материалы хорошо подходят для одноразовых продуктов, таких как ложки и бутылки, где потребители готовы платить премию за более устойчивые продукты. Высокая прочность, менее видимые применения - например, водопроводные трубы из ПВХ, которые обычно используются в жилых и коммерческих сантехнических сооружениях, по-прежнему полностью изготовлены из обычного пластика. В общей сложности менее 0.5 процентов всего пластика поступает из не нефтяных источников, по данным Общества индустрии пластмасс, отраслевой торговой группы, базирующейся в Вашингтоне, округ Колумбия

Государственное регулирование, однако, ведет к увеличению использования биопластика. В 2014 Иллинойс запретили микрогранул, крошечные пластиковые абразивы обычно используется в скрабы для лица, шампунь и зубная паста, из-за опасений по поводу ухудшения состояния окружающей среды в районе Великих озер. При менее одного миллиметра в диаметре, микрогранулы слишком малы, чтобы быть отфильтрованы с помощью системы очистки сточных вод и были найдены в пресноводных и морских средах.

Потребительские товары, которые могут быть изготовлены из биоразлагаемого ПГА включают мешки, посуда и электрический кабель куртки. Фото любезно предоставлено Metabolix.

С ожидаемым федеральным запретом на микрошарики Metabolix в партнерстве с Honeywell в марте выпустил биологически разлагаемую альтернативу микрошахам. Микрошарики, которые разрабатывают две компании, изготовлены из полигидроксиалканоатов или PHA, пластика на основе биомассы, которая является более дорогой, но также более универсальной, чем PLA. Микрошарики, которые разрабатывают две компании, производятся путем ферментации кукурузного крахмала, хотя они также могут быть изготовлены из непродовольственных культур, таких как свинец. Пищевые микроэлементы PHA будут деградировать в двуокись углерода и воду в течение нескольких месяцев с той же скоростью, что и целлюлоза или бумага.

Вокруг нижних сторон

Как мы увеличиваем нашу зависимость от пластмасс получены из культур, таких как кукуруза или сахарный тростник, мы могли непреднамеренно ввести новые экологические проблемы. Недавнее исследование в журнале Чистое производство Отмеченные биопластика, выращенные из сельскохозяйственного сырья использовать значительное количество воды, пестицидов и удобрений которые могут вызвать загрязнение воздуха и воды и конкурировать за землю с культурами, выращенными для производства продуктов питания.

Один из возможных способов обойти вниз сторон на растительной основе пластмасс в то же время снижая зависимость от нефти является использование CO₂ в качестве исходного материала вместо. Novomer, компания сэкономила из исследований в Корнельском университете в Итаке, штат Нью-Йорк, превращает отходы CO₂ от установок по производству этанола в пластик. Компания изготавливает полиолы - полимеры, используемые для изготовления гибкой пены в матрацах, подушках сидений и изоляции, а также ряд специальных покрытий и герметиков.

«Если бы ваш матрац был изготовлен из нашего материала, он бы составлял примерно 22 процентов по массе углекислого газа», - говорит Питер Шепард, исполнительный вице-президент Novomer по полимерам. Это парниковый газ, который является отходами и превращает его в ценный продукт ».

Как правило, CO₂ слишком инертен по отношению к реакции с другими соединениями, что делает его применение в пластике или других приложений, сложных. Джеффри Коутс, профессор химии в Корнельском университете в Итаке и соучредитель Novomer, разработан катализатор, который повышенную реакционную способность CO₂ одновременно снижая реактивность другого ключевого полиольного ингредиента, что упрощает включение CO₂ в полученный полимер.

«Это похоже на то, что у вас есть дети, и вы даете им пиццу и брокколи, и вы говорите им каждый раз, когда вы принимаете укус пиццы, вам нужно укусить брокколи», - говорит Коутс, который также является членом Центра устойчивых полимеров ,

Самой большой проблемой для биопластика является то, что они конкурируют с обычными пластмассами, невероятно недорогих материалов, которые были отточенные в течение последних лет 60, Scheer says.The полиолы, сделанные Novomer являются разлагаемые, но теряют деградируемости в сочетании с химическими веществами на основе нефти, чтобы сделать пена.

Несмотря на то, что компания в настоящее время сосредоточена на создании пен и герметиков, Shepard говорит CO Novomer в₂основанные на полимере, могут быть использованы для изготовления разлагаемых пластмасс с CO₂ до 50 процентов.

Самый большой вызов

Несмотря на высокие темпы роста в последние годы, некоторые говорят, что биопластика не оправдала их потенциал.

"The биопластика промышленности не удалось создать полимеры, которые являются достаточно привлекательными с точки зрения цены и с точки зрения свойств, которые сделают мир готов измениться," говорит Фредерик Scheer, бывший генеральный директор Cereplast, некогда ведущей биопластика компании что объявил о своем банкротстве в 2014.

Самая большая проблема для биопластов заключается в том, что они конкурируют с обычными пластиками, невероятно недорогими материалами, которые были отточены в течение прошлых лет 60, говорит Шеер.

«Люди в некоторой степени осознают воздействие на окружающую среду материалов на основе нефти, которые не будут биодеградировать, но они не желают тратить лишние доллары, чтобы продвигать новые типы материалов», - говорит он.

Конкуренция с пластмассой на основе нефти только усилилась за последний год, так как цена на нефть упала вдвое. «Чтобы быть конкурентоспособным с традиционными материалами на нефтяной основе, нам нужна была цена на нефть примерно в $ 130, $ 140 за баррель», - говорит Шеер. «Понятно, что в $ 50 за баррель мы далеко не можем конкурировать».

Шеер говорит, что способность производить весь мировой пластик из не нефтяных источников существует, но для этого потребуется значительная поддержка со стороны правительства. «Это должно быть обусловлено регулированием, которое заставит стоимость пластика и стоимость нефти быть значительно выше, чем сейчас», - говорит он.

Полиэтиленовый конкурент?

Если устойчивые пластмассы, которые снижают нашу зависимость от ископаемых видов топлива и деградируют в конце их срока полезного использования, будут идти в основное русло, они должны будут иметь возможность использовать не только микрошарики, пенопласт и другие специальные приложения, но также и для термопластов - низкие -костюмируемые полимеры, которые составляют более 80 процентов от сотен миллионов тонн пластика, производимого каждый год.

Coates теперь работает над новым биополимером со свойствами, сопоставимыми или, возможно, лучше, чем полиэтилен, наиболее распространенный термопластик, используемый для изготовления всего от мусорных мешков до бутылок с водой до пластмассовых игрушек.

Даже тонкий слой полиэтилена невероятно прочен, делая, например, почтовые конверты, которые почти невозможно открыть без ножниц или кувшинов молока, которые не ломаются при падении на пол. «Большая часть этого объясняется тем, что это полукристаллический материал», - говорит Коутс. «[Полимерные] цепочки рядом друг с другом очень плотно и специфично, что в целом дает довольно впечатляющие свойства».

В Исследование 2014 опубликованы в Журнал Американского химического общества, Коутс и коллеги из Корнелла описали новый материал с полукристаллической структурой, который изготовлен из сахарного сырья и обладает свойствами, подобными полиэтилену, однако он лучше способен разлагаться в конце срока его полезного использования.

«Это не происходит в одночасье, но я думаю, что есть определенные положительные (признаки того, что он) может стать настоящим конкурентом для такого пластика, как полиэтилен», - говорит Хиллмайер.

Новый материал, известный как поли (полипропилен сукцинат), не был протестирован, чтобы увидеть, как быстро он будет разлагаться на свалке или в морской среде. Но, основываясь на его составе, говорит Коутс, он должен начать деградировать в воде через несколько месяцев, период времени, который превысит срок службы большинства продуктов с одним использованием. Поли (полипропилен сукцинат) разрушается в пропиленгликоле и янтарной кислоте, нетоксичные материалы, которые далее восстанавливаются до СО₂ и вода при попадании в организм микробов.

«Если бы вам приходилось есть продукты разложения полимеров, это были бы те, которые вы хотите», - говорит Коутс.

Это маловероятно, что поли (полипропилен сукцинат) будет стоить меньше, когда-либо на основе фунт за фунт по сравнению с обычным полиэтиленом, но его уникальная кристаллическая структура предполагает, что это может работать лучше, чем его нефтяной аналог. Если это так, производители Bioplastics могут когда-нибудь быть в состоянии конкурировать с современной индустрии пластмасс, делая такие вещи, как молочники со значительно меньшим количеством материала, чем на нефтяной основе пластмасс.

Боевой клинок

Короткие радикальные постановления правительства, которые ставят цену на угле или требуют все пластмассы для биодеградации, биопластика придется найти способы вытесняют обычные пластики, если они когда-нибудь, чтобы заполнить нишу более приложений.

Это тяжелая битва - но один, что другой некогда нишевым продуктом, солнечные панели, все больше и больше выигрыш.

В 2007 солнечная энергия составляла менее 0.1 процентов производства электроэнергии в США. Благодаря изобретательности и инновациям цена на фотоэлектрические модули упала с USN 4 на ватт до USN 0.50 на ватт, что сделало солнечную энергию самым быстрорастущим источником электроэнергии в стране.

Мог бы тех, кто работает на биопластика увидеть аналогичные изменения на море? В конце концов, многие, скорее всего, ездить не только о том, как хорошо их продукты ломаются, но на сколько они могут сломаться конкурентное преимущество обычных пластиковых в.

Об авторе

Фил МакКенна - независимый писатель, заинтересованный в сближении увлекательных людей и интригующих идей. Он в первую очередь пишет об энергии и окружающей среде, уделяя особое внимание людям, стоящим за новостями. Его работа появляется в Ассоциация Нью-Йорк Таймс, Смитсоновский, проводная, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER и NOVA, где он является редактором.

Эта статья первоначально появилась на Ensia

Связанные книги:

at

Спасибо за визит InnerSelf.comгде есть 20,000+ изменяющие жизнь статьи, пропагандирующие «Новые взгляды и новые возможности». Все статьи переведены на 30 + языки. Подписаться в журнал InnerSelf Magazine, публикуемый еженедельно, и в журнал Marie T Russell's Daily Inspiration. InnerSelf Magazine издается с 1985 года.