Az igazság a műanyagról

Biológiailag lebomló bioplaszt keményítőből. Fotó: Wikimedia Commons

A bioműanyagokat gyakran környezetbarátnak tartják, de megfelelnek-e a hype-nak?

Az 1950-es évek óta a világ több mint kilenc milliárd tonna műanyagot termelt. 165 millió tonna hulladékot okozott óceánunkon, évente csaknem 9 millió tonnával több az óceánokba. Mivel a műanyagnak csak körülbelül 9 százaléka kerül újrahasznosításra, a maradék nagy része szennyezi a környezetet, vagy hulladéklerakókban ül, ahol akár 500 év is eltelhet, amíg lebomlik, miközben mérgező vegyi anyagokat enged ki a talajba.

A hagyományos műanyag kőolaj alapú nyersanyagokból készül. Egyesek szerint a bioműanyagok - amelyek legalább 20 százalékban megújuló anyagokból készülnek - jelenthetik a megoldást a műanyag szennyezésre. A bioplasztikus műanyagok gyakran említett előnyei a fosszilis tüzelőanyagok csökkentett felhasználása, a kisebb szénlábnyom és a gyorsabb bomlás. A bioplasztikus műanyagok szintén kevésbé mérgezőek és nem tartalmaznak biszfenol A-t (BPA), egy olyan hormonbontót, amely gyakran megtalálható a hagyományos műanyagokban.

Kartik Chandran, a Columbia Egyetem Föld- és Környezetmérnöki Tanszékének professzora, aki bioműanyagokkal foglalkozik, úgy véli, hogy a hagyományos műanyagokhoz képest „a bioműanyagok jelentős javulást jelentenek”.

Kiderült azonban, hogy a bioplasztikus műanyagok még nem jelentik a műanyag problémánk ezüst golyóját.

Mennyire biológiailag lebonthatók a bioműanyagok?

Mivel a bioműanyagokról gyakran van zűrzavar, először tisztázzunk néhány kifejezést.

Lebomlik - Minden műanyag lebontható, még a hagyományos műanyag is, de csak azért, mert apró töredékekre vagy porra bontható, még nem jelenti azt, hogy az anyagok valaha is visszatérnek a természetbe. A hagyományos műanyagok egyes adalékai gyorsabban lebomlanak. A fényre lebomló műanyag könnyebben lebomlik a napfényben; az oxo-lebontható műanyag gyorsabban szétesik, ha hőnek és fénynek van kitéve.

Biológiailag lebomló - A biológiailag lebomló műanyag mikroorganizmusok megfelelő körülmények között teljesen vízre, szén-dioxidra és komposztra bontható. A „biológiailag lebontható” azt jelenti, hogy a bomlás hetek vagy hónapok alatt történik. A biológiailag nem gyorsan lebomló, gyorsan lebomló műanyagokat „tartósnak” nevezik, és néhány biomasszából előállított bioműanyagot, amelyet a mikroorganizmusok nem tudnak könnyen lebontani, biológiailag nem lebonthatónak tekintenek.

A műanyag és a hungarocell nem bomlik le az önkormányzati komposzt halomban. Fotó: Ckgurney

Komposztálható - A komposztálható műanyag biodegradálódik a komposzt területén. A mikroorganizmusok szén-dioxiddá, vízzé, szervetlen vegyületekké és biomasszává bontják ugyanolyan sebességgel, mint a komposzt halomban lévő egyéb szerves anyagok, mérgező maradványokat nem hagyva.

A bioműanyag típusai

A bioműanyagokat jelenleg eldobható cikkekben használják, például csomagolásban, tartályokban, szívószálakban, táskákban és palackokban, valamint nem eldobható szőnyegekben, műanyag csövekben, telefonházakban, 3D nyomtatásban, autószigetelésben és orvosi implantátumokban. Az előrejelzések szerint a globális bioműanyag-piac az idei 17 milliárd dollárról 2022-re csaknem 44 milliárd dollárra nő.

A bioműanyagoknak két fő típusa van.

A búzából származó keményítő műanyaggá alakul. Fotó: CSIRO

A PLA (politejsav) tipikusan a kukoricakeményítő, manióka vagy cukornád cukrából készül. Biológiailag lebontható, szén-dioxid-semleges és ehető. A kukorica műanyaggá történő átalakításához a kukoricamagokat kén-dioxidba és forró vízbe merítik, ahol összetevői keményítővé, fehérjévé és rostokká bomlanak. Ezután a magokat ledarálják, és a kukoricaolajat elválasztják a keményítőtől. A keményítő hosszú szénláncokból áll, hasonlóan a fosszilis tüzelőanyagok műanyag szénláncaihoz. Egyes citromsavakat összekeverve hosszú láncú polimert (nagy molekula, amely kisebb egységek ismétlődéséből áll) alkot, amely a műanyag építőköve. A PLA úgy néz ki és viselkedhet, mint a polietilén (műanyag fóliákban, csomagolásokban és palackokban), polisztirol (hungarocell és műanyag evőeszközök) vagy polipropilén (csomagolás, autóalkatrészek, textíliák). A minnesotai székhelyű NatureWorks az egyik legnagyobb vállalat, amely Ingeo márkanév alatt gyárt PLA-t.

A PHA-t (polihidroxi-alkanoát) mikroorganizmusok állítják elő, amelyek néha géntechnológiával módosítottak, és amelyek szerves anyagokból műanyagot állítanak elő. A mikrobák nélkülözik az olyan tápanyagokat, mint a nitrogén, az oxigén és a foszfor, de magas szén-dioxid-tartalommal rendelkeznek. Széntartalékként állítják elő a PHA-t, amelyet addig tárolnak granulátumokban, amíg meg nem rendelkeznek a növekedéshez és szaporodáshoz szükséges egyéb tápanyagokkal. A vállalatok ezután betakaríthatják a mikrobákból előállított PHA-t, amelynek kémiai szerkezete hasonló a hagyományos műanyagokéhoz. Mivel biológiailag lebontható és nem károsítja az élő szöveteket, a PHA-t gyakran használják orvosi alkalmazásokhoz, például varratokhoz, hevederekhez, csontlemezekhez és bőrpótlókhoz; egyszer használatos élelmiszerek csomagolására is használják.

A bioplaszt műanyag gyártásának mellékhatásai

Míg a bioműanyagokat általában környezetbarátabbnak tekintik, mint a hagyományos műanyagokat, a Pittsburghi Egyetem 2010-es tanulmánya szerint ez nem feltétlenül igaz, amikor az anyagok életciklusát figyelembe vették.

A tanulmány hét hagyományos műanyagot, négy bioműanyagot és egy fosszilis üzemanyagból és megújuló forrásokból készült műanyagot hasonlított össze. A kutatók megállapították, hogy a bioműanyag-termelés nagyobb mennyiségű szennyező anyagot eredményezett a növények termesztésében használt műtrágyák és növényvédő szerek, valamint a szerves anyagok műanyaggá történő átalakításához szükséges vegyi feldolgozásnak köszönhetően. A bioműanyagok szintén nagyobb mértékben járultak hozzá az ózonréteg csökkenéséhez, mint a hagyományos műanyagok, és kiterjedt földhasználatot igényeltek. A hibrid műanyag B-PET-ről kiderült, hogy az ökoszisztémákra gyakorolt legnagyobb toxikus hatás és a legtöbb rákkeltő anyag van, és az életciklus-elemzésben a legrosszabb eredményt érte el, mivel egyesítette a mezőgazdaság és a vegyipar negatív hatásait.

3D nyomtatott PLA teáskanna. Fotó: CreativeTools

A bioműanyagok életük során lényegesen kevesebb üvegházhatásúgáz-kibocsátást eredményeznek, mint a hagyományos műanyagok. Bomlásukkor nincs nettó növekedés a szén-dioxidban, mert a növények, amelyek bioplasztikus műanyagokat készítenek, ugyanolyan mennyiségű szén-dioxidot szívnak fel, amikor növekednek. Egy 2017-es tanulmány megállapította, hogy a hagyományos műanyagról a kukoricalapú PLA-ra való áttérés 25 százalékkal csökkenti az Egyesült Államok üvegházhatásúgáz-kibocsátását. A tanulmány arra is következtetett, hogy ha a hagyományos műanyagokat megújuló energiaforrások felhasználásával állítják elő, akkor az üvegházhatású gázok kibocsátása 50–75 százalékkal csökkenthető; azonban a jövőben megújuló energiával előállítható bioműanyagok mutatták a legtöbb ígéretet az üvegházhatású gázok kibocsátásának jelentős csökkentésére.

Egyéb problémák

Míg a bioműanyagok biológiai lebonthatósága előny, a legtöbbeknek magas hőmérsékletű ipari komposztáló létesítményekre van szükségük a lebomláshoz, és csak nagyon kevés város rendelkezik infrastruktúrával a kezelésükhöz. Ennek eredményeként a bioműanyagok gyakran hulladéklerakókba kerülnek, ahol oxigénhiányban metánt szabadíthatnak fel, ami 23-szor erősebb üvegházhatású gáz, mint a szén-dioxid.

Újrahasznosított PET. Fotó: MichalManas

Ha a bioplaszt műanyagokat nem dobják ki megfelelően, akkor szennyezhetik az újrahasznosított műanyag tételeit, és károsíthatják az újrafeldolgozási infrastruktúrát. Ha például bioplasztikus műanyagok szennyezik az újrahasznosított PET-et (polietilén-tereftalát, a leggyakoribb műanyag, amelyet vizes és szódás palackokhoz használnak), akkor az egész tételt el lehet utasítani, és hulladéklerakóba kerülhet. Tehát különálló újrahasznosító áramokra van szükség ahhoz, hogy a bioműanyagokat megfelelően el lehessen dobni.

A bioműanyagokhoz szükséges földterület versenyez az élelmiszertermeléssel, mert a bioműanyagot előállító növények felhasználhatók emberek táplálására is. A műanyag szennyezés koalíciójának projektjei szerint a bioműanyagok iránti növekvő globális kereslet kielégítése érdekében 2019-ig több mint 3,4 millió hektár földterületre van szükség - ez a terület nagyobb, mint Belgium, Hollandia és Dánia együttvéve -. a mezőgazdasági gépek üzemeltetéséhez használt üvegházhatásúgáz-kibocsátás.

A biomûanyagok is viszonylag drágák; A PLA 20-50% -kal drágább lehet, mint az összehasonlítható anyagok, a kukorica vagy a cukornád PLA építőköveivé történő átalakításához használt összetett eljárás miatt. Az árak azonban csökkennek, mivel a kutatók és a vállalatok hatékonyabb és környezetbarát stratégiákat dolgoznak ki a bioműanyagok előállítására.

A szennyvizetől a bioműanyagig

Kartik Chandran és Columbia hallgatói olyan rendszereket fejlesztenek ki, amelyek szennyvízből és szilárd hulladékból biológiailag lebomló bioműanyagot állítanak elő. Chandran vegyes mikrobaközösséget használ, amely szénnel táplálkozik illékony zsírsavak formájában, például ecetben található ecetsav formájában.

Rendszere úgy működik, hogy a szennyvizet egy bioreaktorba táplálja. Belül a (a műanyagot termelő baktériumoktól eltérő) mikroorganizmusok átalakítják a hulladék szerves szénét illékony zsírsavakká. A kiáramlást ezután egy második bioreaktorba küldik, ahol a műanyagot termelő mikrobák táplálkoznak az illékony zsírsavakból. Ezeket a mikrobákat folyamatosan ünnepi fázisoknak vetik alá, amelyet éhínségi fázisok követnek, amelyek során a szénmolekulákat PHA-ként tárolják.

Chandran koncentráltabb hulladékáramokkal, például élelmiszer-hulladékkal és szilárd emberi hulladékkal kísérletezik az illékony zsírsavak hatékonyabb előállítása érdekében. Kutatásainak középpontjában a PHA-termelés maximalizálása és a hulladék integrálása áll. "A lehető legtöbbet ki akarjuk szorítani [mindkét rendszerből]" - mondta Chandran.

Úgy véli, hogy integrált rendszere költséghatékonyabb lenne, mint azok a bioplasztikák előállítására jelenleg alkalmazott módszerek, amelyek cukorvásárlással járnak a PHA előállításához. "Ha integrálja a szennyvízkezelést, vagy az élelmiszer-pazarlás kihívásaival foglalkozik a bioplaszt műanyag előállításával, akkor ez [gazdaságilag] meglehetősen kedvező" - mondta Chandran. "Mert ha bővítenénk és kereskedelmi üzemmódba lépnénk, akkor fizetést kapnánk az élelmiszer-hulladék elszállításáért, és akkor fizetést kapnánk a bioműanyagok gyártásáért is." Chandran reméli, hogy lezárja a hurkot, hogy egy napon a salakanyagok rendszeresen erőforrásként szolgáljanak, és hasznos termékekké, például bioműanyaggá alakíthatók.

Egyéb ígéretes alternatívák

A kaliforniai Full Cycle Bioplastics szintén szerves hulladékokból, például élelmiszer-hulladékból, növényi maradványokból, például szárakból és ehetetlen levelekből, kerti hulladékból, valamint újrahasznosítatlan papírból vagy kartonból állít elő PHA-t. Táskák, edények, evőeszközök, víz- és samponpalackok előállítására használják ezt a bioplasztikát komposztálható, tengeri lebontható (vagyis ha az óceánba kerül, hal- vagy baktériumélelemként szolgálhat), és nincs toxikus hatása. A Full Cycle élettartama végén feldolgozhatja a PHA-t, és felhasználhatja újra szűz műanyag készítéséhez.

A pennsylvaniai székhelyű Renmatix fás biomasszát, energiafűket és növényi maradványokat használ a drágább élelmiszer-növények helyett. Technológiája elválasztja a cukrokat a biomasszától, savak, oldószerek vagy enzimek helyett vizet és hőt használva, viszonylag tiszta, gyors és olcsó eljárásban. A biomasszából származó cukrokat és lignint ezután a bioműanyagok és más biotermékek építőelemeként használják.

A Michigani Állami Egyetemen a tudósok megpróbálják csökkenteni a bioműanyag előállítási költségeit olyan cianobaktériumok (más néven kék-zöld algák) felhasználásával, amelyek fotoszintézis útján kémiai vegyületek előállításához használják a napfényt. Ahelyett, hogy műanyagtermelő baktériumaikat kukoricából vagy cukornádból táplálnák, ezek a tudósok a cianókat módosították, hogy folyamatosan kiválasszák a természetes úton előállított cukrot. A műanyagtermelő baktériumok ezt követően fogyasztják a cianók által termelt cukrot, amely újrafelhasználható.

A cianobaktériumok felhasználhatók a bioplasztit létrehozó mikrobák táplálására. Fotó: DBCLS

A Stanford Egyetem kutatói és a kaliforniai startup Mango Materials átalakítják a szennyvíztisztító telepekből vagy hulladéklerakókból származó metángázt bioműanyaggá. A metánt műanyagtermelő baktériumok táplálják, amelyek átalakítják PHA-vá, amelyet a vállalat elad a műanyaggyártóknak. Műanyag kupakokhoz, samponpalackokhoz vagy biopoliészter szálakhoz használják, amelyek kombinálhatók természetes ruházati anyagokkal. A bioplasztikus anyag biodegradálódik metánné, és ha eljut az óceánig, a tengeri mikroorganizmusok természetes módon emészthetik.

Az angliai Bath-i Egyetem Fenntartható Technológiáinak Központja cukrokból és szén-dioxidból készít polikarbonátot üvegekben, lencsékben és telefonok és DVD-k bevonataiban történő felhasználásra. A hagyományos polikarbonát műanyag BPA (tilos a cumisüvegekben) és a mérgező kémiai foszgén felhasználásával készül. A fürdő kutatói olcsóbb és biztonságosabb módszert találtak arra, hogy szobahőmérsékleten szén-dioxidot adnak a cukrokhoz. A talajbaktériumok lebontják a bioplasztot szén-dioxiddá és cukorrá.

A micéliumból készült ökovatív csomagolás célja a műanyag teljes helyettesítése. Fotó: mycobond

Aztán vannak olyanok, akik innovatív módszereket fejlesztenek ki a műanyag teljes cseréjére. Az AMAM japán designcég vörös tengeri algákban agarból készült csomagolóanyagokat gyárt. Az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériuma biológiailag lebontható és ehető filmet fejleszt a tejfehérje kazeinből az élelmiszer csomagolására; 500-szor jobban képes frissen tartani az ételeket, mint a hagyományos műanyag fólia. A New York-i székhelyű Ecovative pedig a micéliumot, a gomba vegetatív elágazó részét használja gombaanyagok előállítására biológiailag lebomló csomagolóanyagokhoz, csempékhez, ültetvényekhez és egyebekhez.

Jelenleg nehéz azt állítani, hogy a bioműanyagok környezetbarátabbak, mint a hagyományos műanyagok, ha életciklusuk minden szempontját figyelembe vesszük: földhasználat, peszticidek és herbicidek, energiafogyasztás, vízfelhasználás, üvegházhatású gázok és metán kibocsátás, biológiai lebonthatóság, újrafeldolgozhatóság és még sok más. . De mivel a kutatók világszerte zöldebb fajták és hatékonyabb termelési folyamatok kidolgozásán dolgoznak, a bioműanyagok valóban ígéretet tesznek a műanyag szennyezés csökkentésére és a szén-dioxid-lábnyom csökkentésére.