door Renee Cho, Earth Institute , Columbia University
Bioplastics worden vaak aangeprezen als milieuvriendelijk, maar voldoen ze aan de hype?
sinds de jaren 1950 heeft de wereld meer dan negen miljard ton plastic geproduceerd., 165 miljoen ton daarvan heeft onze oceaan verwoest, met bijna 9 miljoen ton meer in de oceanen per jaar. Omdat slechts ongeveer 9 procent van het plastic wordt gerecycled, vervuilt veel van de rest het milieu of ligt op stortplaatsen, waar het tot 500 jaar kan duren om te ontbinden terwijl het uitlogt giftige chemicaliën in de grond.
traditionele kunststof wordt gemaakt van grondstoffen op basis van aardolie. Sommigen zeggen dat bioplastics-gemaakt van 20 procent of meer hernieuwbare materialen—de oplossing zou kunnen zijn voor plastic vervuiling., De vaak genoemde voordelen van bioplastic zijn minder gebruik van fossiele brandstoffen, een kleinere koolstofvoetafdruk en snellere ontleding. Bioplastic is ook minder giftig en bevat geen bisfenol A (BPA), een hormoonverstorende stof die vaak voorkomt in traditionele kunststoffen.
Kartik Chandran, professor in de afdeling Earth and Environmental Engineering aan de Columbia University, die zich bezighoudt met bioplastics, is van mening dat “bioplastics een significante verbetering zijn in vergelijking met traditionele kunststoffen.,”
echter, het blijkt dat bioplastics zijn nog niet de zilveren kogel voor ons plastic probleem.
hoe biologisch afbreekbaar zijn Bioplastics?
aangezien er vaak verwarring is bij het spreken over bioplastics, laten we eerst enkele termen verduidelijken.
- afbreekbaar-alle plastic is afbreekbaar, zelfs traditionele plastic, maar alleen omdat het kan worden afgebroken in kleine fragmenten of poeder betekent niet dat de materialen ooit zullen terugkeren naar de natuur. Sommige toevoegingen aan traditionele kunststoffen maken ze sneller degraderen., Fotodegradable plastic breekt sneller af in zonlicht; oxo-afbreekbaar plastic desintegreert sneller bij blootstelling aan warmte en licht.
- biologisch afbreekbaar-biologisch afbreekbare kunststof kan onder de juiste omstandigheden volledig worden afgebroken in water, kooldioxide en compost door micro-organismen. “Biologisch afbreekbaar” betekent dat de ontbinding gebeurt in weken tot maanden. Bioplastics die niet snel biologisch afbreekbaar worden genoemd “duurzaam”, en sommige bioplastics gemaakt van biomassa die niet gemakkelijk kan worden afgebroken door micro-organismen worden beschouwd als niet-biologisch afbreekbaar.,
- composteerbaar-composteerbaar plastic wordt biologisch afgebroken in een compostlocatie. Micro-organismen breken het af in kooldioxide, water, anorganische verbindingen en biomassa met dezelfde snelheid als andere organische materialen in de composthoop, waardoor er geen giftig residu overblijft.
soorten Bioplastic
Bioplastics worden momenteel gebruikt in wegwerpartikelen zoals verpakkingen, containers, rietjes, zakken en flessen, en in niet-wegwerptapijt, plastic leidingen, telefoonbehuizingen, 3D-printen, auto-isolatie en medische implantaten., De wereldwijde bioplastische markt zal naar verwachting groeien van 17 miljard dollar dit jaar naar bijna 44 miljard dollar in 2022.
Er zijn twee hoofdtypen bioplastics.
PLA (polyactisch zuur) wordt meestal gemaakt van de suikers in maïszetmeel, cassave of suikerriet. Het is biologisch afbreekbaar, koolstofneutraal en eetbaar. Om maïs om te zetten in plastic, worden maïskorrels ondergedompeld in zwaveldioxide en heet water, waar de componenten afbreken in zetmeel, eiwitten en vezels. De pitten worden vervolgens gemalen en de maïsolie wordt gescheiden van het zetmeel., Het zetmeel bestaat uit lange ketens van koolstofmoleculen, vergelijkbaar met de koolstofketens in plastic van fossiele brandstoffen. Sommige citroenzuren worden gemengd in een lange-keten polymeer (een grote molecule bestaande uit het herhalen van kleinere eenheden) dat is de bouwsteen voor plastic vormen. PLA kan eruit zien en zich gedragen als polyethyleen (gebruikt in plastic Folies, verpakkingen en flessen), polystyreen (piepschuim en plastic bestek) of polypropyleen (verpakking, auto-onderdelen, Textiel). NatureWorks uit Minnesota is een van de grootste bedrijven die PLA produceert onder de merknaam Ingeo.,
PHA (polyhydroxyalkanoaat) wordt gemaakt door micro-organismen, soms genetisch gemanipuleerd, die plastic produceren uit organische materialen. De microben zijn verstoken van voedingsstoffen zoals stikstof, zuurstof en fosfor, maar met een hoog koolstofgehalte. Ze produceren PHA als koolstofreserves, die ze opslaan in korrels totdat ze meer van de andere voedingsstoffen hebben die ze nodig hebben om te groeien en te reproduceren. Bedrijven kunnen dan de microbe-made PHA oogsten, die een chemische structuur heeft die vergelijkbaar is met die van traditionele kunststoffen., Omdat het biologisch afbreekbaar is en geen schade toebrengt aan levend weefsel, wordt PHA vaak gebruikt voor medische toepassingen zoals hechtingen, stroppen, botplaten en huidvervangers; het wordt ook gebruikt voor verpakking van levensmiddelen voor eenmalig gebruik.
De bijwerkingen van Bioplastische productie
hoewel bioplastics over het algemeen als milieuvriendelijker worden beschouwd dan traditionele kunststoffen, bleek uit een studie van de Universiteit van Pittsburgh dat dit niet noodzakelijk het geval was wanneer rekening werd gehouden met de levenscycli van de materialen.,
in de studie werden zeven traditionele kunststoffen, vier bioplastics en één gemaakt van zowel fossiele als hernieuwbare bronnen vergeleken. De onderzoekers stelden vast dat de productie van bioplastics resulteerde in grotere hoeveelheden verontreinigende stoffen, als gevolg van de meststoffen en pesticiden die worden gebruikt in de teelt van de gewassen en de chemische verwerking die nodig is om organisch materiaal om te zetten in plastic. De bioplastics droegen ook meer bij aan de aantasting van de ozonlaag dan de traditionele kunststoffen, en vereisten extensief landgebruik., B-PET, het hybride plastic, bleek het hoogste potentieel te hebben voor toxische effecten op ecosystemen en de meest kankerverwekkende stoffen, en scoorde het slechtste in de levenscyclusanalyse omdat het de negatieve effecten van zowel landbouw als chemische verwerking combineerde.
Bioplastics produceren tijdens hun levensduur aanzienlijk minder broeikasgassen dan traditionele kunststoffen. Er is geen netto toename van kooldioxide wanneer ze afbreken omdat de planten die bioplastics worden gemaakt van dezelfde hoeveelheid kooldioxide geabsorbeerd als ze groeiden., Een studie uit 2017 stelde vast dat het overstappen van traditioneel plastic naar op maïs gebaseerde PLA de uitstoot van broeikasgassen in de VS met 25 procent zou verminderen. De studie concludeerde ook dat als traditionele kunststoffen werden geproduceerd met behulp van hernieuwbare energiebronnen, de uitstoot van broeikasgassen zou kunnen worden verminderd 50 tot 75 procent; echter, bioplastics die in de toekomst zou kunnen worden geproduceerd met hernieuwbare energie toonde de meeste belofte voor een aanzienlijke vermindering van de uitstoot van broeikasgassen.,
andere problemen
hoewel de biologische afbreekbaarheid van bioplastics een voordeel is, hebben de meeste industriële composteerinstallaties op hoge temperatuur nodig om af te breken en hebben zeer weinig steden de infrastructuur die nodig is om deze problemen aan te pakken. Als gevolg hiervan komen bioplastics vaak terecht op stortplaatsen waar ze, zonder zuurstof, methaan kunnen afgeven, een broeikasgas dat 23 keer krachtiger is dan kooldioxide.
wanneer bioplastics niet op de juiste wijze worden weggegooid, kunnen zij partijen gerecycleerde kunststof verontreinigen en de recyclinginfrastructuur schaden., Als bioplastic bijvoorbeeld gerecycled PET verontreinigt (polyethyleentereftalaat, het meest gebruikte plastic, gebruikt voor water-en frisdrankflessen), kan de hele partij worden afgekeurd en op een stortplaats terechtkomen. Er zijn dus aparte recyclingstromen nodig om bioplastics goed te kunnen weggooien.
de grond die nodig is voor bioplastics concurreert met de voedselproductie omdat de gewassen die bioplastics produceren ook kunnen worden gebruikt om mensen te voeden. De Plastic Pollution Coalition projecteert dat om te voldoen aan de groeiende wereldwijde vraag naar bioplastics, meer dan 3.,4 miljoen hectare grond—een oppervlakte groter dan België, Nederland en Denemarken samen-zal nodig zijn om de gewassen tegen 2019 te verbouwen. Bovendien produceert de aardolie die wordt gebruikt om de landbouwmachines te laten draaien broeikasgasemissies.
Bioplastics zijn ook relatief duur; PLA kan 20 tot 50 procent duurder zijn dan vergelijkbare materialen vanwege het complexe proces dat wordt gebruikt om maïs of suikerriet om te zetten in de bouwstenen voor PLA. De prijzen dalen echter naarmate onderzoekers en bedrijven efficiëntere en milieuvriendelijkere strategieën ontwikkelen voor de productie van bioplastics.,
van afvalwater naar Bioplastic
Kartik Chandran en Columbia studenten ontwikkelen systemen voor de productie van biologisch afbreekbaar bioplastic uit afvalwater en vast afval. Chandran gebruikt een gemengde microbe gemeenschap die zich voedt met koolstof in de vorm van vluchtige vetzuren, zoals azijnzuur in azijn.
zijn systeem werkt door afvalwater in een bioreactor te voeren. Binnenin zetten micro-organismen (los van de plasticproducerende bacteriën) de organische koolstof van het afval om in vluchtige vetzuren., De uitstroom wordt vervolgens naar een tweede bioreactor gestuurd waar de plastic-producerende microben zich voeden met de vluchtige vetzuren. Deze microben worden voortdurend onderworpen aan feestfasen die door hongerfasen worden gevolgd, waarin zij de koolstofmoleculen als PHA opslaan.
Chandran experimenteert met meer geconcentreerde afvalstromen, zoals voedselafval en vast menselijk afval, om de vluchtige vetzuren efficiënter te produceren. De focus van zijn onderzoek is het maximaliseren van PHA productie en het integreren van afval in het proces. “We willen zo veel als we kunnen knijpen,” zei Chandran.,
hij gelooft dat zijn geïntegreerde systeem kosteneffectiever zou zijn dan de methoden die momenteel worden gebruikt om bioplastic te produceren, waarbij suikers worden gekocht om PHA te maken. “Als je afvalwaterzuivering integreert of uitdagingen op het gebied van voedselafval aanpakt met bioplastische productie, dan is dit heel gunstig”, zegt Chandran. “Want als we zouden opschalen en in de commerciële modus gaan, zouden we betaald worden om het voedselafval weg te halen en dan zouden we ook betaald worden om bioplastics te maken.,”Chandran hoopt de kringloop te sluiten, zodat afvalproducten op een dag routinematig zullen dienen als een bron die kan worden omgezet in nuttige producten zoals bioplastic.
andere veelbelovende alternatieven
bioplastics met volledige cyclus in Californië produceren ook PHA uit organisch afval zoals voedselafval, gewasresten zoals stengels en oneetbare bladeren, tuinafval en niet-gerecycled papier of karton., Gebruikt om zakken, containers, bestek, water en shampoo flessen te maken, is dit bioplastic composteerbaar, zee afbreekbaar (wat betekent dat als het in de oceaan eindigt, het kan dienen als vis-of bacterievoer) en heeft geen toxische effecten. Volledige cyclus kan de PHA aan het einde van zijn leven verwerken, en het gebruiken om opnieuw virgin plastic te maken.
Renmatix uit Pennsylvania gebruikt houtachtige biomassa, energiegrassen en gewasresidu in plaats van duurdere voedselgewassen., De technologie scheidt suikers van de biomassa met behulp van water en warmte in plaats van zuren, oplosmiddelen of enzymen in een relatief schoon, snel en goedkoop proces. Zowel de suikers als de lignine uit de biomassa worden vervolgens gebruikt als bouwstenen voor bioplastics en andere bioproducten.aan de Michigan State University proberen wetenschappers de productiekosten van bioplastic te verlagen door het gebruik van cyanobacteriën, ook bekend als blauwalgen, die zonlicht gebruiken om chemische verbindingen te produceren door middel van fotosynthese., In plaats van het voeden van hun plastic-producerende bacteriën suikers uit maïs of suikerriet, deze wetenschappers tweaken cyano ‘ s om voortdurend uit te scheiden van de suiker die ze van nature produceren. De plastic-producerende bacteriën verbruiken dan de suiker die door de cyanos wordt geproduceerd, die herbruikbaar zijn.onderzoekers van Stanford University en in Californië gevestigde startende Mangomaterialen zetten methaangas van afvalwaterzuiveringsinstallaties of stortplaatsen om in bioplastic. Het methaan wordt gevoed aan plastic-producerende bacteriën die het omzetten in PHA, die het bedrijf verkoopt aan plastic producenten., Het wordt gebruikt voor plastic doppen, shampoo flessen of biopolyester vezels die kunnen worden gecombineerd met natuurlijke materialen voor kleding. Het bioplastic zal biologisch worden afgebroken tot methaan, en als het de oceaan bereikt, kan het op natuurlijke wijze worden verteerd door mariene micro-organismen.
Het Centre for Sustainable Technologies van de Universiteit van Bath in Engeland maakt Polycarbonaat van suikers en kooldioxide voor gebruik in flessen, lenzen en coatings voor telefoons en DVD ‘ s. Traditionele polycarbonaat plastic is gemaakt met behulp van BPA (verboden gebruik in Babyflessen) en de giftige chemische fosgeen., De Badonderzoekers hebben een goedkopere en veiligere manier gevonden om dit te doen door kooldioxide toe te voegen aan de suikers bij kamertemperatuur. Bodembacteriën kunnen het bioplastic afbreken in kooldioxide en suiker.
en er zijn er die innovatieve manieren ontwikkelen om plastic helemaal te vervangen. Het Japanse designbedrijf AMAM produceert verpakkingsmaterialen gemaakt van agar in rode zeealgen. Het Amerikaanse Ministerie van Landbouw ontwikkelt een biologisch afbreekbare en eetbare film uit de melkproteïne caseïne om voedsel in te wikkelen; het is 500 keer beter in het houden van voedsel vers dan traditionele plastic folie., En het in New York gevestigde Ecovative gebruikt mycelium, het vegetatieve vertakkende deel van een schimmel, om Paddenstoelmaterialen te maken, voor biologisch afbreekbaar verpakkingsmateriaal, tegels, plantenbakken en meer.op dit moment is het moeilijk te beweren dat bioplastics milieuvriendelijker zijn dan traditionele kunststoffen wanneer alle aspecten van hun levenscyclus worden bekeken: landgebruik, pesticiden en herbiciden, energieverbruik, watergebruik, uitstoot van broeikasgassen en methaan, biologische afbreekbaarheid, recycleerbaarheid en meer., Maar terwijl onderzoekers over de hele wereld werken aan groenere variëteiten en efficiëntere productieprocessen, is bioplastics veelbelovend om plastic vervuiling te verminderen en onze CO2-voetafdruk te verminderen.
meer informatie: I Daniel Posen et al. Greenhouse gas mitigation for U. S. plastics production: energy first, feedstocks later, Environmental Research Letters (2017). DOI: 10.,1088/1748-9326 / aa60a7
informatie van het tijdschrift: Environmental Research Letters
aangeboden door Earth Institute, Columbia University
Dit verhaal wordt opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.
Geef een reactie