La ricerca è attiva per le materie plastiche sostenibili

Poiché i polimeri a base di petrolio contaminano i nostri oceani e abbattono le nostre vite, i ricercatori cercano modi più ecologici per soddisfare la domanda di materiali durevoli e versatili. Flickr: Foto di Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

Luglio 29, 2015 - Il destino degli oceani del mondo può riposare all'interno di una cisterna di acciaio inossidabile che non ha le dimensioni di un piccolo barilotto di birra. All'interno, i batteri geneticamente modificati trasformano lo sciroppo di mais in una massa agitata di polimeri che possono essere utilizzati per produrre un'ampia varietà di materiali plastici comuni.

"È un po 'come fare lo yogurt", dice Oliver Peoples, responsabile scientifico di Metabolix, Inc.

L'azienda con sede a Cambridge, in Massachusetts, dove le bioplastiche prendono forma in camere di fermentazione su scala di laboratorio è una delle sempre più numerose aziende e istituzioni che lavorano per lo sviluppo di sostituti più competitivi ed ecocompatibili per le materie plastiche convenzionali, prodotte con combustibili fossili. per decomporre e stiamo trasformando i nostri oceani in mari di plastica fluttuante.

"Abbiamo visto questo enorme aumento della produzione di plastica che si traduce in un aumento del flusso di rifiuti", afferma Jenna Jambeck, membro della facoltà di ingegneria ambientale presso l'Università della Georgia. "A differenza del materiale che si biodegrada, la plastica ha tutti questi problemi. Si sposta facilmente nei corsi d'acqua, frammentandosi fisicamente in pezzi più piccoli che sono estremamente difficili o impossibili da raccogliere e [che tende ad assorbire contaminanti chimici già presenti nell'ambiente. "


innerself iscriviti alla grafica


Alcuni milioni di 4.8 a 12.7 milioni di tonnellate (di 5.3 milioni a 14 milioni di tonnellate) di plastica, o fino al 4 per cento di circa 300 milioni di tonnellate (330 milioni di tonnellate) di plastica prodotta ogni anno, sono entrati nell'oceano come rifiuti in 2010. Si prevede che la cifra aumenterà di 10 nel prossimo decennio con la produzione di plastica e successivamente eluderà gli sforzi di gestione e riciclaggio dei rifiuti, secondo uno studio di Jambeck e colleghi pubblicato all'inizio di quest'anno nella rivista Scienze.

Che effetto ha tutta questa plastica sugli esseri viventi, inclusi gli umani, rimane poco chiaro. Un certo numero di recenti studi dimostrano che le sostanze chimiche contenute in piccoli pezzi di plastica, e persino le punte di plastica stesse, possono accumularsi negli uccelli, nei pesci e in altre forme di vita marina. Test di laboratorio hanno dimostrato che le sostanze chimiche che li contengono possono causare effetti avversi sulla salute, inclusi danni al fegato e interruzione endocrina attraverso l'espressione genica alterata. Se gli effetti simili si verificano al di fuori del laboratorio o se estendono la catena alimentare alle persone che mangiano organismi marini rimane sconosciuto, eppure entrambi sembrano del tutto plausibili.

E non è tutto. Anche la plastica è famosa nel settore dei gas a effetto serra. Circa il 8 percentuale del petrolio utilizzato in tutto il mondo ogni anno va a produrre direttamente la plastica o ad alimentare i processi di produzione di plastica, secondo un recente rapporto del Worldwatch Institute.

"Anche se le persone sentono che vorrebbero usare meno plastica anziché più, il fatto è che le materie plastiche sono materiali moderni che rendono le automobili più leggere, purificano l'acqua e aggiungono enormi benefici alle applicazioni di salute e sicurezza." - Marc HillmyerPerché non riduci il nostro uso? Per prima cosa, le materie plastiche sono incredibilmente versatili e soddisfano una gamma di esigenze di flessibilità, costi e altri parametri che sostituiscono i materiali. Non solo, ma i materiali sostitutivi presentano i loro impatti ambientali, sociali e sanitari.

"Anche se le persone sentono che vorrebbero usare meno plastica anziché più, il fatto è che le materie plastiche sono materiali moderni che rendono le automobili più leggere, purificano l'acqua e aggiungono enormi benefici alle applicazioni di salute e sicurezza", afferma Marc Hillmyer, direttore del Centro per polimeri sostenibili all'Università del Minnesota a Minneapolis.

In altre parole, vi sono solide ragioni per perseguire alternative più sostenibili alle plastiche convenzionali, vale a dire plastiche a base vegetale. Tali cosiddette bioplastiche sono in grado di degradarsi, riducendo drasticamente il rischio che finiscano per inquinare terra o mare. Inoltre riducono la nostra dipendenza dai combustibili fossili, riducendo l'impronta di carbonio della plastica. Le emissioni di gas serra associate alle bioplastiche sono inferiori di 26 rispetto a quelle associate alla plastica convenzionale, secondo una recente analisi del ciclo di vita della plastica a base di mais e di petrolio dai ricercatori della Michigan State University.

Alternative emergenti

Tuttavia, trovare alternative non decomposte a base di petrolio alle plastiche attuali non è facile. La plastica prodotta da mais, canna da zucchero o altro materiale a base vegetale non è necessariamente degradabile e il degrado può verificarsi quando lo si desidera.

"Tu non vuoi che il tuo sacchetto di plastica per degradare mentre si sta utilizzando," dice Hillmyer. "D'altra parte si vuole degradare rapidamente quando sia messo in un altro ambiente."

Mentre i chimici hanno avuto difficoltà a riformulare le materie plastiche a base di petrolio in modo che possano degradarsi, stanno emergendo una serie di alternative biodegradabili e degradabili.

Nonostante questi e altri recenti successi, le bioplastiche rimangono una piccola frazione del settore nel suo complesso. Natureworks, una società con sede a Minnetonka, Minnesota, è uno dei principali produttori mondiali di bioplastiche. L'azienda produce acido polilattico, o PLA, una plastica biodegradabile proveniente dall'amido di mais e che trasforma in un'ampia gamma di prodotti di consumo - tra cui posate, bicchieri e imballaggi monouso - che si decompongono alla fine della loro vita utile. L'impianto di produzione iniziale dell'azienda a Blair, Nebraska, è entrato in funzione nel 2002 e può produrre 140,000 tonnellate metriche (150,000 tonnellate) di PLA all'anno. La società ha recentemente annunciato l'intenzione di aprire un secondo impianto nel sud-est asiatico che utilizzerà la canna da zucchero come materia prima.

Un altro produttore leader di bioplastica è la Coca-Cola Company, che in 2009 ha lanciato PlantBottle, una bottiglia per bevande in polietilene tereftalato -PET - che contiene fino al 30% di materiale biobased. Le bottiglie non sono degradabili ma, a differenza della maggior parte delle materie plastiche biobased, possono essere riciclate insieme al PET convenzionale, una plastica comunemente riciclata. Da quando 2009 ha prodotto 35 miliardi delle sue PlantBottle originali. A giugno 2015 la società ha presentato una nuova versione che è 100 percentuale biobased.

Nonostante questi e altri recenti successi, le bioplastiche rimangono una piccola parte del settore nel suo complesso. I materiali sono adatti per prodotti monouso come cucchiai e bottiglie in cui i consumatori sono disposti a pagare un premio per prodotti più sostenibili. Alta durabilità, applicazioni meno visibili - ad esempio, tubi per l'acqua in PVC comunemente usati negli impianti idraulici residenziali e commerciali - sono ancora realizzati interamente in plastica convenzionale. In totale, meno della percentuale 0.5 di tutta la plastica proviene da fonti non petrolifere, secondo la Society of the Plastics Industry, un gruppo commerciale con sede a Washington, DC

regolamento del governo, tuttavia, sta portando a un maggiore utilizzo delle bioplastiche. In 2014 Illinois microsfere vietate, piccoli abrasivi plastici comunemente utilizzati in scrub viso, shampoo e dentifricio, a causa di preoccupazioni sul degrado ambientale nei Grandi Laghi. A meno di un millimetro di diametro, le microsfere sono troppo piccole per essere filtrate da sistemi di trattamento delle acque reflue e sono state trovate in ambienti sia d'acqua dolce che marina.

plastica organica 8 7I beni di consumo che possono essere prodotti da PHA biodegradabili comprendono borse, utensili e guaine per cavi elettrici. Foto per gentile concessione di Metabolix.

Con un divieto federale di microsfere, Metabolix ha avviato una partnership con Honeywell a marzo per produrre un'alternativa biodegradabile alle microsfere Le microsfere che le due società stanno sviluppando sono realizzate in poliidrossialcanoato o PHA, una plastica a base biologica che è più costosa ma anche più versatile di PLA. Le microsfere che le due società stanno sviluppando sono fatte fermentando l'amido di mais, sebbene potrebbero anche essere prodotte da colture non alimentari come il panico verga. Le microsfere di PHA si degraderanno in anidride carbonica e acqua in pochi mesi alla stessa velocità della cellulosa o della carta, afferma Peoples.

Intorno ai lati bassi

Come abbiamo aumentare la nostra dipendenza dalle materie plastiche provenienti da colture come il mais o canna da zucchero, potremmo inavvertitamente introdurre nuovi problemi ambientali. Un recente studio sulla rivista Produzione più pulita noti bioplastici provenienti da materie prime agricole utilizzare quantità significative di acqua, pesticidi e fertilizzanti ciò può causare inquinamento dell'aria e dell'acqua e competere per la terra con colture coltivate per scopi alimentari.

Un modo possibile per aggirare i lati negativi delle materie plastiche vegetali riducendo al contempo la dipendenza dal petrolio è l'uso di CO2 come materia prima invece. Novomer, una società nata dalla ricerca della Cornell University di Ithaca, New York, sta trasformando CO per rifiuti2 dagli impianti di produzione di etanolo alla plastica. L'azienda produce polioli - polimeri utilizzati per produrre schiuma flessibile che si trova in materassi, cuscini di seduta e isolanti, oltre a una gamma di rivestimenti speciali e sigillanti.

"Se il tuo materasso fosse realizzato con il nostro materiale, sarebbe all'incirca del 22 per cento in peso di biossido di carbonio", afferma Peter Shepard, vicepresidente esecutivo dei polimeri di Novomer. "Prende un gas serra che è un materiale di scarto e lo trasforma in un prodotto di valore ".

In genere CO2 è troppo inerte per reagire con altri composti, rendendo difficile l'uso in plastica o altre applicazioni. Geoffrey Coates, professore di chimica alla Cornell University di Ithaca e co-fondatore di Novomer, ha sviluppato un catalizzatore che ha aumentato la reattività di CO2 mentre contemporaneamente rallenta la reattività di un altro ingrediente chiave di poliolo - rendendo più facile incorporare CO2 nel polimero risultante.

"È come se tu avessi dei bambini e tu dai loro la pizza e i broccoli e dici loro ogni volta che prendi un pizzico di pizza devi prendere un boccone di broccoli", dice Coates, che è anche membro del Centro dei polimeri sostenibili .

La sfida più grande per le bioplastiche è quella di competere con le materie plastiche convenzionali, materiali incredibilmente economici che sono stati affinati negli ultimi anni 60, dice Scheer. I polioli prodotti da Novomer sono degradabili ma perdono la loro degradabilità se combinati con prodotti chimici a base di petrolio. schiuma.

Sebbene la società sia attualmente focalizzata sulla produzione di schiume e sigillanti, Shepard afferma che la CO di Novomer2i polimeri a base di basi potrebbero essere utilizzati per produrre plastica degradabile con una CO2 contenuto fino alla percentuale 50.

La più grande sfida

Nonostante la forte crescita degli ultimi anni, alcuni sostengono che le bioplastiche non siano all'altezza del loro potenziale.

"L'industria delle bioplastiche non è stata in grado di creare polimeri che siano abbastanza attraenti in termini di prezzi e di proprietà che renderanno il mondo disposto a cambiare", afferma Frederick Scheer, ex CEO di Cereplast, un'azienda leader nel settore delle bioplastiche che ha dichiarato bancarotta in 2014.

La sfida più grande per le bioplastiche è che sono in competizione con le materie plastiche convenzionali, materiali incredibilmente economici che sono stati affinati negli ultimi anni 60, dice Scheer.

"Le persone sono piuttosto consapevoli dell'impatto ambientale dei materiali a base di olio che non si biodegradano, ma non sono disposti a spendere i dollari extra per spingere [nuovi] tipi di materiali", dice.

La concorrenza con la plastica a base di petrolio si è intensificata solo nell'ultimo anno, poiché il prezzo del petrolio è dimezzato. "Per essere competitivi con i tradizionali materiali a base di petrolio avevamo bisogno che il prezzo del petrolio fosse di circa $ 130, $ 140 al barile", dice Scheer. "Chiaramente, a $ 50 un barile siamo lontani dall'essere in grado di competere."

Scheer afferma che la capacità di produrre tutta la plastica del mondo da fonti non petrolifere esiste, ma per farlo occorrerebbe un sostegno statale significativo. "Dovrà essere guidato da una regolamentazione che costringerà i costi della plastica e del costo del petrolio ad essere sostanzialmente più alti di quanto non sia in questo momento", dice.

Concorrente in polietilene?

Se le plastiche sostenibili che riducono la nostra dipendenza dai combustibili fossili e degradano alla fine della loro vita utile diventeranno mainstream, dovranno essere in grado di sub-in non solo per microsfere, schiuma e altre applicazioni speciali ma anche per termoplastici - basso -coli polimeri conformabili che contengono oltre il 80 percento delle centinaia di milioni di tonnellate di plastica prodotte ogni anno.

Coates sta ora lavorando a un nuovo biopolimero con proprietà comparabili o forse migliori del polietilene, il termoplastico più ampiamente utilizzato per fare di tutto, dai sacchetti della spazzatura alle bottiglie d'acqua ai giocattoli di plastica.

Anche un sottile strato di polietilene è incredibilmente forte, rendendo, per esempio, buste di spedizione che sono quasi impossibili da aprire senza forbici o brocche di latte che non si rompono quando cadono sul pavimento. "La maggior parte di questo è perché è un materiale semicristallino", dice Coates. "Le catene [polimero] si incastrano l'una accanto all'altra in un modo molto stretto e specifico che, nel complesso, conferisce proprietà piuttosto impressionanti."

In un Studio 2014 pubblicato nel Journal of American Chemical Society, Coates e colleghi di Cornell hanno descritto un nuovo materiale con una struttura semicristallina che è costituito da una materia prima per lo zucchero e ha proprietà simili al polietilene, ma è meglio in grado di decomporsi alla fine della sua vita utile.

"Non succede da un giorno all'altro, ma penso che ci siano alcuni elementi positivi che potrebbero essere un vero concorrente per un materiale plastico come il polietilene", afferma Hillmyer.

Il nuovo materiale, noto come poly (polipropilene succinato), non è stato testato per vedere quanto rapidamente si decompose in una discarica o in un ambiente marino. Ma in base alla sua composizione, dice Coates, dovrebbe iniziare a degradare l'acqua dopo diversi mesi, un periodo di tempo che supererebbe la vita utile della maggior parte dei prodotti monouso. Poly (polipropilene succinato) si scompone in glicole propilenico e acido succinico, materiali non tossici che vengono ulteriormente ridotti a CO2 e acqua quando ingerita dai microbi.

"Se dovessi mangiare prodotti di degradazione dei polimeri, questi sarebbero quelli che vuoi", dice Coates.

È improbabile che il poli (polipropilene succinato) costerebbe sempre meno su una base di sterlina per libbra rispetto al polietilene convenzionale, ma la sua struttura cristallina unica suggerisce che potrebbe funzionare meglio della sua controparte petrolifera. Se è così, i produttori di bioplastiche potrebbero un giorno essere in grado di competere con l'industria delle materie plastiche di oggi facendo cose come le brocche di latte con materiali significativamente meno delle materie plastiche a base di petrolio.

Salita in salita

In mancanza di regolamenti governativi radicali che impongono un prezzo al carbonio o richiedono la biodegradazione di tutte le materie plastiche, le bioplastiche dovranno trovare il modo di superare le materie plastiche convenzionali se saranno in grado di riempire più di applicazioni di nicchia.

È una battaglia in salita, ma quella che un altro prodotto di nicchia, il pannello solare, sta conquistando sempre più.

In 2007 l'energia solare ha prodotto meno del 0.1 percentuale della produzione di elettricità negli Stati Uniti. Grazie all'ingegnosità e all'innovazione, il prezzo dei moduli fotovoltaici è sceso da US $ 4 per watt a US $ 0.50 per watt, rendendo il solare la fonte di elettricità a più rapida crescita nel paese.

Potrebbero coloro che lavorano sulle bioplastiche vedere un simile cambiamento? In definitiva, molto probabilmente andrà non solo sul modo in cui i loro prodotti si guasteranno, ma su quanto possano abbattere il vantaggio competitivo della plastica convenzionale.Visualizza la homepage di Ensia

Circa l'autore

mckenna philPhil McKenna è uno scrittore freelance interessato alla convergenza di individui affascinanti e idee intriganti. Scrive principalmente di energia e ambiente concentrandosi sugli individui dietro le notizie. Il suo lavoro appare in Le New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER e NOVA, dove è un redattore collaboratore.

Questo articolo è originariamente apparso su Ensia

Libro correlati:

at

rompere

Grazie della visita InnerSelf.com, dove ci sono 20,000+ articoli che cambiano la vita e promuovono "Nuovi atteggiamenti e nuove possibilità". Tutti gli articoli sono tradotti in 30+ lingue. Sottoscrivi a InnerSelf Magazine, pubblicato settimanalmente, e Daily Inspiration di Marie T Russell. Rivista InnerSelf è stato pubblicato dal 1985.