البحث في عن البلاستيك المستدامة

كما البوليمرات الذي يعتمد على النفط كريهة لدينا المحيطات والقمامة حياتنا والباحثين يسعون أكثر ملاءمة للبيئة سبل لتلبية الطلب على المواد تنوعا دائمة. فليكر: تصوير بو ايدي (فليكر / جميل) 

يوليو 29 ، 2015 - قد يكمن مصير محيطات العالم داخل خزان من الصلب غير القابل للصدأ وليس بحجم برميل بار صغير. في الداخل ، تحول البكتيريا المعدلة وراثيا شراب الذرة إلى كتلة متموجة من البوليمرات التي يمكن استخدامها لإنتاج مجموعة واسعة من اللدائن الشائعة.

يقول أوليفر بيبلز ، كبير المسؤولين العلميين في شركة Metabolix، Inc.: "إنه يشبه صنع الزبادي".

الشركة ومقرها كامبردج بولاية ماساتشوستس حيث تأخذ البلاستيك الحيوي شكل في غرف التخمير على نطاق المختبرات هي واحدة من عدد متزايد من الشركات والمؤسسات التي تعمل على تطوير وأكثر ملاءمة للبيئة بدائل تنافسية من حيث التكلفة للمواد البلاستيكية التقليدية، والتي تتم من الوقود الأحفوري، تفشل لتتحلل وتتحول المحيطات لدينا في البحار العائمة البلاستيك.

تقول جينا جامبيك ، عضو هيئة التدريس في كلية الهندسة البيئية بجامعة جورجيا: "لقد شهدنا هذه الزيادة الهائلة في الإنتاج من البلاستيك التي أدت إلى زيادة تدفق النفايات أيضًا". "على عكس المواد التي تتحلل بيولوجياً ، فإن البلاستيك يحتوي على كل هذه المشاكل. إنها تنتقل بسهولة إلى مجاري مائية ، إنها شظايا جسدية إلى قطع أصغر تكون صعبة للغاية أو مستحيلة في جمعها ، و [تميل إلى] امتصاص الملوثات الكيميائية الموجودة بالفعل في البيئة.


رسم الاشتراك الداخلي


بعض 4.8 مليون إلى 12.7 مليون طن متري (5.3 مليون إلى 14 مليون طن) من البلاستيك ، أو ما يصل إلى 4 في المئة من 300 مليون طن متري تقريبا (330 مليون طن) من البلاستيك تنتج كل عام ، دخلت المحيط كقمامة في 2010. ومن المتوقع أن يزيد هذا الرقم عدد 10-fold في العقد المقبل مع إنتاج المزيد من البلاستيك ، ثم يتفادى جهود إدارة النفايات وإعادة التدوير ، وفقًا لدراسة أجرتها Jambeck وزملاؤها نشرت في وقت سابق من هذا العام في مجلة علوم.

ما تأثير كل هذا البلاستيك على الكائنات الحية ، بما في ذلك البشر ، يظل غير واضح. أظهر عدد من الدراسات الحديثة أن المواد الكيميائية في أجزاء صغيرة من البلاستيك ، وحتى البتات البلاستيكية نفسها ، يمكن أن تتراكم في الطيور والأسماك والحياة البحرية الأخرى. وقد أظهرت الاختبارات المختبرية أن المواد الكيميائية التي تشكلها يمكن أن تسبب آثارًا صحية ضارة ، بما في ذلك تلف الكبد و اضطراب الغدد الصماء من خلال التعبير الجيني المتغير. وما إذا كانت هناك آثار مشابهة تحدث خارج المختبر أو ما إذا كانت تمتد السلسلة الغذائية إلى الأشخاص الذين يأكلون الكائنات البحرية تبقى غير معروفة ، ومع ذلك يبدو كلاهما معقولين تماما.

وهذا ليس كل شيء. البلاستيك، كما هو معروف في قسم غازات الدفيئة أيضا. تقريبا 8 في المئة من النفط المستخدمة في جميع أنحاء العالم كل عام يذهب لجعل البلاستيك مباشرة أو لتشغيل عمليات التصنيع البلاستيك، وفقا ل التقرير الأخير من معهد Worldwatch.

"على الرغم من أن الناس يشعرون أنهم يرغبون في استخدام كميات أقل من البلاستيك أكثر من كونهم أكثر ، فإن حقيقة الأمر هي أن المواد البلاستيكية هي مواد حديثة تجعل السيارات أخف وزنا ، وتنقية المياه وتضيف فائدة هائلة إلى التطبيقات الصحية والأمنية." - مارك هيلمير لم فقط تقليل استخدامنا؟ لسبب واحد ، اللدائن متعددة الاستعمالات بشكل لا يصدق ، وتلبية مجموعة من الاحتياجات من المرونة والتكلفة وغيرها من المعايير التي من الصعب أن تكون مواد بديلة متطابقة. ليس هذا فقط ، ولكن المواد البديلة تعرض آثارها البيئية والاجتماعية والصحية السلبية.

"على الرغم من الناس يشعرون أنهم يرغبون في استخدام كميات أقل من البلاستيك بدلا من أكثر من ذلك، فإن حقيقة الأمر هي أن البلاستيك والمواد الحديثة التي تجعل السيارات أخف وزنا وتنقية المياه وإضافة فائدة كبيرة لتطبيقات الصحة والأمن"، كما يقول مارك Hillmyer، مدير مركز البوليمرات المستدامة في جامعة مينيسوتا في مينيابوليس.

وبعبارة أخرى ، هناك أسباب قوية لمواصلة بدائل أكثر استدامة للبلاستيك التقليدي - أي اللدائن القائمة على النباتات. إن ما يسمى بالبلاستيك الحيوي قادر على التحلل ، مما يقلل بشكل كبير من خطر أنه سوف ينتهي به الأمر إلى تلويث الأرض أو البحر. كما أنها تقلل من اعتمادنا على الوقود الأحفوري ، مما يقلل من بصمة الكربون الخاصة بالبلاستيك. انبعاثات الغازات الدفيئة المرتبطة بالبلاستيك الحيوي هي 26 في المئة أقل من تلك المرتبطة بالبلاستيك التقليدي ، وفقا ل تحليل دورة الحياة الأخيرة من البلاستيك القائم على الذرة والبترول من قبل الباحثين في جامعة ولاية ميشيغان.

بدائل الناشئة

ومع ذلك ، فإن العثور على بدائل غير قابلة للكسر ، غير قابلة للتحلل من مواد البلاستيك الحالية ، ليس بالأمر السهل. ليس من الضروري بالضرورة تحلل البلاستيك المصنوع من الذرة أو قصب السكر أو المواد النباتية الأخرى ، ويحدث حدوث تدهور عندما تريد أن يكون صعباً.

"أنت لا تريد كيس من البلاستيك لتتحلل في حين كنت تستخدم" يقول Hillmyer. "من ناحية أخرى تريد أن تتحلل بسرعة عندما وضعت في بيئة أخرى."

في حين كان الكيميائيون صعوبة إعادة صياغة المواد البلاستيكية المعتمدة على النفط، بحيث يمكن أن تتحلل، وعدد من بدائل degradeable الحيوي القائم آخذة في الظهور.

على الرغم من هذه النجاحات وغيرها من النجاحات الحديثة ، تظل البلاستيك الحيوي جزءًا صغيرًا من الصناعة ككل. Natureworks ، وهي شركة مقرها في مينيتونكا ، مينيسوتا ، هي واحدة من الشركات الرائدة في العالم في تصنيع البلاستيك الحيوي. تصنع الشركة حمض polylactic ، أو PLA ، وهو بلاستيك قابل للتحلل الحيوي مصدره من نشا الذرة ويصنع مجموعة واسعة من المنتجات الاستهلاكية - بما في ذلك أدوات المائدة والأكواب والتعبئة والتغليف - التي تتحلل في نهاية عمرها الإنتاجي. تم تشغيل منشأة الإنتاج الأولية للشركة في بلير ، نبراسكا ، في عام 2002 ويمكنها إنتاج 140,000 طن متري (150,000 طن) من PLA سنويًا. أعلنت الشركة مؤخرًا عن خطط لفتح مصنع ثانٍ في جنوب شرق آسيا يستخدم قصب السكر كمادة وسيطة.

آخر الرائدة في مجال تصنيع البلاستيك الحيوي هو شركة كوكا كولا، التي أطلقت في 2009 PlantBottle، وزجاجة مشروب مصنوع من البولي اثيلين البولي -حيوانات أليفة - أن تحتوي على ما يصل إلى 30 في المئة المواد biobased. الزجاجات ليست قابلة للتحلل ولكن، على عكس معظم المواد البلاستيكية biobased، يمكن إعادة تدويرها جنبا إلى جنب مع الدائرة التقليدية، من البلاستيك المعاد تدويره عادة. منذ 2009 أنتجت الشركة 35 مليار PlantBottles الأصلي لها. في يونيو 2015 كشفت الشركة نسخة جديدة أن 100 في المئة biobased.

على الرغم من هذه النجاحات والنجاحات الحديثة الأخرى ، فإن البلاستيك الحيوي يظل جزءًا صغيرًا من الصناعة ككل. المواد مناسبة تمامًا للمنتجات ذات الاستخدام الفردي مثل الملاعق والزجاجات حيث يكون المستهلكون مستعدين لدفع علاوة لمنتجات أكثر استدامة. إن المتانة العالية والتطبيقات الأقل وضوحا - على سبيل المثال ، أنابيب المياه المصنوعة من PVC والتي تستخدم عادة في السباكة السكنية والتجارية - لا تزال مصنوعة بالكامل من البلاستيك التقليدي. في المجموع ، أقل من 0.5 في المئة من كل البلاستيك يأتي من مصادر غير نفطية ، وفقا لجمعية صناعة البلاستيك ، وهي مجموعة تجارية صناعية مقرها في واشنطن العاصمة.

التنظيم الحكومي، ومع ذلك، مما يؤدي إلى زيادة استخدام البلاستيك الحيوي. في 2014 إلينوي ميكروبيدات المحظورة، كشط بلاستيكية صغيرة تستخدم عادة في الدعك الوجه والشامبو ومعجون الأسنان، بسبب المخاوف من تدهور البيئة في منطقة البحيرات العظمى. في ملليمتر أقل من واحد في قطر، ميكروبيدات صغيرة جدا لتتم تصفيته من قبل أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي، وقد وجدت في كل من المياه العذبة والبيئات البحرية.

البلاستيك العضوي 8 7السلع الاستهلاكية التي يمكن أن تكون مصنوعة من تحلل جمعية المستشفيات الخاصة وتشمل الحقائب والأواني والسترات الكابلات الكهربائية. تصوير: Metabolix.

مع فرض حظر فيدرالي على microbeads المتوقع ، اشتركت Metabolix مع Honeywell في مارس لإنتاج بديل قابل للتحلل إلى microbeads يتم صنع microbeads الشركتين المطورتين من Polyhydroxyalkanoates ، أو PHA ، وهو بلاستيك حيوي أكثر تكلفة ولكنه أكثر تنوعا من جيش التحرير الشعبى الصينى. يتم تصنيع microbeads يتم تطوير الشركتين من قبل تخمير نشا الذرة ، على الرغم من أنها يمكن أيضا أن تكون مصنوعة من المحاصيل غير الغذائية مثل switchgrass. تقول بيبولز: "سوف تتحلل microbeads PHA في ثاني أكسيد الكربون والماء في غضون أشهر بنفس معدل السليلوز أو الورق".

حول أسفل الجانبين

ونحن زيادة اعتمادنا على البلاستيك مصدرها المحاصيل مثل الذرة أو قصب السكر، ونحن يمكن أن يعرض عن غير قصد الاهتمامات البيئية الجديدة. دراسة حديثة في مجلة الإنتاج الأنظف البلاستيك الحيوي وأشار نمت من المواد الأولية الزراعية استخدام كميات كبيرة من المياه، والمبيدات الحشرية والأسمدة يمكن أن يسبب تلوث الهواء والماء والتنافس على الأرض مع المحاصيل المزروعة للغذاء.

أحد السبل الممكنة للالتفاف على الجانبين أسفل من البلاستيك ذات الأصل النباتي في حين لا يزال الحد من الاعتماد على النفط هو استخدام ثاني أكسيد الكربون2 كمادة وسيطة بدلا من ذلك. Novomer، نسج شركة خارج من الأبحاث في جامعة كورنيل في إيثاكا، نيويورك، وتحول ثاني أكسيد الكربون النفايات2 من مصانع إنتاج الإيثانول إلى البلاستيك. تقوم الشركة بتصنيع البوليولات - البوليمرات المستخدمة في صنع الرغاوي المرنة الموجودة في المراتب ووسائد المقعد والعزل ، بالإضافة إلى مجموعة من الطلاءات والمواد المانعة للتسرب.

يقول بيتر شيبرد ، نائب الرئيس التنفيذي للبوليمرات في نوفومير: "إذا كانت المرتبة الخاصة بك مصنوعة من موادنا ، فسيكون ذلك تقريبًا بنسبة 22 في الوزن بالوزن من ثاني أكسيد الكربون". "إنه يأخذ غازات الدفيئة التي هي من النفايات ويحولها إلى منتج ثمين ".

عادة CO2 خاملة جدا للتفاعل مع المركبات الأخرى، مما يجعل استخدامه في صناعة البلاستيك أو غيرها من التطبيقات الصعبة. وضعت جيفري كوتس، أستاذ الكيمياء في جامعة كورنيل في إيثاكا وأحد مؤسسي من Novomer، وهو الحافز الذي زاد من تفاعل ثاني أكسيد الكربون2 بينما تتباطأ في وقت واحد من تفاعل عنصر بوليول رئيسي آخر - مما يجعل من السهل دمج CO2 في البوليمر الناتج.

يقول كواتس ، وهو أيضًا عضو في مركز البوليمرات المستدامة: "يشبه الأمر ما إذا كان لديك أطفال وأنت تعطيهم البيتزا والقرنبيط ، وتخبرهم في كل مرة تتناول فيها قطعة صغيرة من البيتزا أن تأخذ جرعة من البروكلي". .

التحدي الأكبر للالبلاستيك الحيوي هو أنها تتنافس ضد البلاستيك التقليدية، ومواد غير مكلفة للغاية التي تم شحذها للسنوات 60 الماضية، البوليولات شير says.The التي Novomer هي قابلة للتحلل ولكن تفقد التحلل من عند دمجها مع المواد الكيميائية الذي يعتمد على النفط لجعل رغوة.

على الرغم من أن الشركة تركز حاليا على جعل الرغاوي والمواد المانعة للتسرب، ويقول شيبرد CO Novomer ل2يمكن استخدام البوليمرات القائمة على تصنيع البلاستيك القابل للتحلل باستخدام CO2 محتوى مرتفعًا كنسبة 50 في المائة.

اكبر تحدي

وعلى الرغم من النمو القوي في السنوات الأخيرة، ويقول البعض البلاستيك الحيوي لم ترق إلى إمكاناتهم.

"لم تكن صناعة البلاستيك الحيوي قادرة على خلق البوليمرات التي هي جذابة بما فيه الكفاية من حيث التسعير ومن حيث الخصائص من شأنها أن تجعل العالم على استعداد لتغيير"، كما يقول فريدريك شير، الرئيس التنفيذي السابق لCereplast في، شركة البلاستيك الحيوي مما يؤدي مرة واحدة أن الإفلاس أعلن في 2014.

التحدي الأكبر للبلاستيك الحيوي هو أنها تتنافس مع المواد البلاستيكية التقليدية ، والمواد الرخيصة بشكل لا يصدق والتي تم شحذها خلال السنوات الماضية 60 ، كما يقول Scheer.

ويقول: "إن الناس يدركون إلى حد ما التأثير البيئي للمواد التي تعتمد على النفط والتي لن تتحلل أحيائياً ، لكنهم غير مستعدين لإنفاق الدولارات الإضافية لدفع أنواع جديدة من المواد".

اشتدت المنافسة مع البلاستيك البترولي فقط خلال العام الماضي حيث انخفض سعر النفط إلى النصف. "من أجل أن نكون قادرين على المنافسة مع المواد التقليدية القائمة على النفط ، كنا بحاجة إلى أن يكون سعر النفط في مكان ما حول 130 $ ، 140 $ للبرميل" ، يقول Scheer. "من الواضح ، عند 50 دولار للبرميل نحن بعيدون عن القدرة على المنافسة."

يقول شير إن القدرة على تصنيع كل البلاستيك في العالم من مصادر غير نفطية موجودة ، ولكن القيام بذلك يتطلب دعمًا حكوميًا كبيرًا. "يجب أن يكون مدفوعا بالتشريعات التي ستجبر تكلفة البلاستيك وتكلفة النفط لتكون أعلى بكثير مما هي عليه الآن" ، كما يقول.

المنافس البولي ايثيلين؟

إذا كانت المواد البلاستيكية المستدامة التي تقلل من اعتمادنا على الوقود الأحفوري وتتحلل في نهاية عمرها المفيد سوف تسير في الاتجاه السائد ، فسيكون عليها أن تكون قادرة على التقليل ليس فقط من أجل الميكروبيدات والرغاوي والتطبيقات المتخصصة الأخرى ولكن أيضا للمواد اللدنة الحرارية - منخفضة التكلفة ، والبوليمرات التي يمكن تشكيلها والتي تشكل أكثر من نسبة 80 في المائة من مئات الملايين من الأطنان من البلاستيك المنتج كل عام.

تعمل كوتس الآن على بوليمر بيولوجي جديد بخصائص مشابهة أو أفضل من البولي إثيلين ، وهو الأكثر استخدامًا لإنتاج البلاستيك الحراري من أكياس القمامة إلى زجاجات المياه إلى اللعب البلاستيكية.

حتى طبقة رقيقة من البولي إيثيلين قوية للغاية ، مما يجعل ، على سبيل المثال ، مغلفات بريدية يكاد يكون من المستحيل فتحها بدون مقص أو أباريق حليب لا تنكسر عند سقوطها على الأرض. يقول كوتس: "إن معظم ذلك يعود إلى كونه مادة شبه سائلة". "إن سلاسل [البوليمر] الموجودة بجانب بعضها البعض بطريقة ضيقة للغاية ومحددة بشكل عام ، تعطي خصائص رائعة جدًا."

في باقة الدراسة التي نشرت في 2014 مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكيةوصف كوتس وزملاؤه في كورنيل مادة جديدة ذات بنية شبه سائلة مصنوعة من مادة وسيطة من السكر ولها خواص مماثلة للبولي إيثيلين ، ومع ذلك فهي أكثر قدرة على التحلل في نهاية عمرها المفيد.

"لا يحدث ذلك بين عشية وضحاها ، ولكن أعتقد أن هناك بعض المؤشرات الإيجابية التي يمكن أن تكون منافسا حقيقيا بالنسبة إلى مادة بلاستيكية مثل البولي إيثيلين" ، يقول هيلمير.

لم يتم اختبار المادة الجديدة ، المعروفة باسم بولي (البولي بروبيلين سكسينات) ، لمعرفة مدى السرعة التي يمكن أن تتحلل في مكب النفايات أو البيئة البحرية. ولكن بناء على تكوينه ، يقول كوتس ، يجب أن يبدأ في التدهور في الماء بعد عدة أشهر ، فترة زمنية من شأنها أن تتجاوز العمر الإنتاجي لمعظم المنتجات ذات الاستخدام الفردي. يتكسر البولي (بولي بروبيلين سكسينات) إلى بروبيلين غليكول وحمض السكسينيك ، والمواد غير السامة التي يتم تخفيضها إلى ثاني أكسيد الكربون2 والماء عند تناولها من قبل الميكروبات.

"إذا كان عليك تناول منتجات تحلل البوليمر ، فستكون هذه هي المنتجات التي تريدها" ، يقول Coates.

فمن غير المرجح أن بولي (البولي بروبلين السكسينات) في أي وقت أقل تكلفة على أساس الجنيه مقابل الجنيه من البولي ايثيلين التقليدية، ولكن يوحي بنية بلورية فريدة من نوعها يمكن أن أداء أفضل من نظيره النفطية. إذا كان الأمر كذلك، قد يكون مصنعي البلاستيك الحيوي يوما ما قادرة على المنافسة مع الصناعات البلاستيكية اليوم بجعل الأشياء مثل أباريق الحليب مع مواد أقل بكثير من البلاستيك الذي يعتمد على النفط.

شاقة معركة

باختصار تجتاح الأنظمة الحكومية التي تضع سعر على الكربون أو تتطلب جميع المواد البلاستيكية لتتحلل، والبلاستيك الحيوي أن تجد طرق لتكومبيتي البلاستيك التقليدية إذا كانت أي وقت مضى الذهاب إلى ملء أكثر من التطبيقات المتخصصة.

انها معركة صعبة - ولكن واحدة أن منتج آخر مرة والمتخصصة، والألواح الشمسية، هو الفوز على نحو متزايد.

في 2007 الطاقة الشمسية تتكون أقل من 0.1 في المئة من توليد الكهرباء في الولايات المتحدة. وبفضل الإبداع والابتكار ، انخفض سعر الوحدات الكهروضوئية من 4 لكل واط إلى 0.50 لكل واط ، مما يجعل الطاقة الشمسية المصدر الأسرع نمواً للطاقة الكهربائية في البلاد.

قد أولئك الذين يعملون على البلاستيك الحيوي نرى تغييرا مماثلا؟ في نهاية المطاف، فإن الكثير من المرجح ركوب ليس فقط على مدى كسر منتجاتها باستمرار، ولكن على مقدار ما يمكن أن تنهار حافة البلاستيك التقليدية التنافسية.عرض الصفحة الرئيسية Ensia

نبذة عن الكاتب

mckenna فيلPhil McKenna كاتبة مستقلة مهتمة بالتقارب بين الأفراد الرائعين والأفكار المثيرة للاهتمام. يكتب في المقام الأول عن الطاقة والبيئة مع التركيز على الأفراد وراء الأخبار. يظهر عمله في نيويورك تايمز، سميثسونيان، ايرد، أودوبون، نيو ساينتست، تكنولوجيا مراجعة، مسألة و NOVA ، حيث هو محرر المساهمة.

ظهر هذا المقال أصلا على Ensia

كتاب ذات الصلة:

at