Als erdölbasierte Polymere unsere Ozeane und Streu unser Leben Foul, suchen Forscher umweltfreundlichere Wege Nachfrage nach langlebigen, vielseitige Materialien gerecht zu werden. Flickr: Foto von Bo Eide (Flickr / Creative Commons) 

Juli 29, 2015 - Das Schicksal der Weltmeere könnte in einem Edelstahltank liegen, der nicht die Größe eines kleinen Bierfasses hat. Im Inneren wandeln gentechnisch veränderte Bakterien Maissirup in eine schäumende Masse von Polymeren um, die zur Herstellung einer Vielzahl von gängigen Kunststoffen verwendet werden kann.

"Es ist ein bisschen wie Joghurt zu machen", sagt Oliver Peoples, Chief Scientific Officer von Metabolix, Inc.

Die Cambridge, Massachusetts ansässige Unternehmen, wo Biokunststoffen Gestalt annehmen in Labormaßstab Gärkammern ist eine von einer wachsenden Zahl von Unternehmen und Institutionen arbeiten kostengünstigen, umweltfreundlicher Ersatz für herkömmliche Kunststoffe zu entwickeln, die aus fossilen Brennstoffen hergestellt werden, scheitern zu zersetzen und sind unsere Ozeane in Meere von schwimmenden Kunststoff drehen.

"Wir haben diesen enormen Anstieg der Produktion in Kunststoff gesehen, der auch zu einer Zunahme des Abfallaufkommens führt", sagt Jenna Jambeck, Mitglied der Fakultät für Umwelttechnik an der Universität von Georgia. "Im Gegensatz zu Materialien, die biologisch abbaubar sind, hat Plastik all diese Probleme. Es gelangt leicht in Wasserstraßen, es zerfällt physikalisch in kleinere Stücke, die extrem schwer oder unmöglich zu sammeln sind, und absorbiert chemische Verunreinigungen, die bereits in der Umwelt sind. "

Einige 4.8 Millionen bis 12.7 Millionen Tonnen (5.3 Millionen bis 14 Millionen Tonnen) Kunststoff oder bis zu 4 Prozent der etwa 300 Millionen Tonnen (330 Millionen Tonnen) Kunststoff, die jährlich produziert werden, kamen in 2010 als Müll in den Ozean. Laut einer Studie von Jambeck und Kollegen wird erwartet, dass sich die Zahl im nächsten Jahrzehnt 10-fache vergrößern wird, da mehr Kunststoff produziert wird und sich anschließend den Abfallmanagement- und Recycling-Bemühungen entzieht Anfang dieses Jahres veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaft.

Welchen Effekt all das Plastik auf Lebewesen hat, einschließlich Menschen, bleibt unklar. Eine Anzahl neuerer Studien zeigt, dass sich Chemikalien in kleinen Plastikstücken und sogar die Kunststoffstücke selbst in Vögeln, Fischen und anderen Meereslebewesen ansammeln können. Labortests haben gezeigt, dass die Chemikalien, aus denen sie bestehen, schädliche Auswirkungen auf die Gesundheit haben können, einschließlich Leberschäden und endokrine Störung durch veränderte Genexpression. Ob ähnliche Effekte außerhalb des Labors auftreten oder ob sie die Nahrungskette für Menschen, die Meeresorganismen essen, verlängern, ist unbekannt, beide erscheinen jedoch durchaus plausibel.

Und das ist nicht alles. Kunststoffe sind berüchtigt in der Treibhausgas-Abteilung als auch. Etwa 8 Prozent der weltweit jedes Jahr verwendet Erdöl geht Kunststoff direkt zu machen oder die Kunststoff-Fertigungsprozesse an die Macht, nach einem aktueller Bericht des Worldwatch Institute.

"Auch wenn die Menschen das Gefühl haben, weniger Kunststoff als mehr verwenden zu wollen, ist die Tatsache, dass Kunststoffe moderne Materialien sind, die Autos leichter machen, Wasser reinigen und den Gesundheits- und Sicherheitsanwendungen einen enormen Nutzen bringen." - Marc Hillmyer Warum nicht? nur unsere Verwendung reduzieren? Zum einen sind Kunststoffe unglaublich vielseitig und erfüllen ein breites Spektrum an Anforderungen an Flexibilität, Kosten und andere Parameter, die für Ersatzmaterialien schwer zu erfüllen sind. Nicht nur das, sondern auch Ersatzmaterialien haben ihre eigenen nachteiligen Auswirkungen auf Umwelt, Gesellschaft und Gesundheit.

"Selbst wenn die Menschen das Gefühl, dass sie weniger Kunststoff verwenden möchten und nicht mehr, ist die Tatsache der Angelegenheit ist, dass Kunststoff moderne Materialien sind, die Autos machen leichter, Wasser zu reinigen und zu enormen Nutzen für die Gesundheit und Sicherheit von Anwendungen hinzufügen", sagt Marc Hillmyer, Direktor des Center for Sustainable Polymers an der Universität von Minnesota in Minneapolis.

Mit anderen Worten, es gibt gute Gründe dafür, nachhaltigere Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen zu suchen - nämlich pflanzlichen Kunststoffen. Solche sogenannten Biokunststoffe können sich abbauen, wodurch das Risiko, dass sie Land oder Meer verschmutzen, drastisch reduziert wird. Sie verringern auch unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und reduzieren den CO2-Fußabdruck von Kunststoffen. Englisch: www.germnews.de/archive/dn/1995/02/16.html Die mit Biokunststoffen verbundenen Treibhausgasemissionen liegen 26 - Prozent unter denen von konventionellem Kunststoff eine aktuelle Lebenszyklusanalyse von Mais- und Petroleum-basierten Kunststoffen von Forschern an der Michigan State University.

aufstrebende Alternativen

Es ist nicht einfach, nicht auf Erdöl basierende, zersetzbare Alternativen zu den heutigen Kunststoffen zu finden. Plastik, das aus Mais, Zuckerrohr oder anderem Material auf Pflanzenbasis hergestellt wird, ist nicht notwendigerweise abbaubar und es kann zu einer Verschlechterung kommen, wenn es schwierig sein kann.

"Sie wollen nicht Ihre Plastiktüte zu verschlechtern, während Sie es verwenden", sagt Hillmyer. "Auf der anderen Seite wollen Sie es schnell zu zersetzen, wenn sie in eine andere Umgebung setzen."

Während Chemiker Schwierigkeit Neuformulierung Kunststoffen auf Erdölbasis hatte, so dass sie eine Anzahl von auf biologischer Basis, abbaubare Alternativen entstehen abbauen können.

Trotz dieser und anderer jüngster Erfolge bleiben Biokunststoffe ein winziger Teil der gesamten Branche. Natureworks, ein Unternehmen mit Sitz in Minnetonka, Minnesota, ist einer der weltweit führenden Hersteller von Biokunststoffen. Das Unternehmen stellt Polymilchsäure oder PLA her, einen biologisch abbaubaren Kunststoff, den es aus Maisstärke bezieht, und verarbeitet daraus eine breite Palette von Konsumgütern - einschließlich Einwegbesteck, Tassen und Verpackungen -, die sich am Ende ihrer Nutzungsdauer zersetzen. Die erste Produktionsstätte des Unternehmens in Blair, Nebraska, wurde 2002 in Betrieb genommen und kann 140,000 Tonnen (150,000 Tonnen) PLA pro Jahr produzieren. Das Unternehmen kündigte kürzlich Pläne an, ein zweites Werk in Südostasien zu eröffnen, in dem Zuckerrohr als Ausgangsmaterial verwendet wird.

Ein weiterer führender Hersteller von Biokunststoffen ist die Coca-Cola Company, die in 2009 Plantbottle ins Leben gerufen, eine Getränkeflasche aus Polyethylenterephthalat -PET gemacht -, die auf 30 Prozent biobasierten Material enthält auf. Die Flaschen sind nicht abbaubar, aber, im Gegensatz zu den meisten biobasierte Kunststoffe, können zusammen mit herkömmlichen PET, einem üblicherweise aus recyceltem Kunststoff recycelt werden. Seit 2009 hat das Unternehmen 35 Milliarden seiner ursprünglichen PlantBottles produziert. Im Juni 2015 stellte das Unternehmen eine neue Version, die 100 Prozent biobasierten ist.

Trotz dieser und anderer neuerer Erfolge bleiben Biokunststoffe ein winziger Bruchteil der Industrie insgesamt. Die Materialien eignen sich gut für Einwegprodukte wie Löffel und Flaschen, bei denen die Verbraucher bereit sind, eine Prämie für nachhaltigere Produkte zu zahlen. Hohe Haltbarkeit, weniger sichtbare Anwendungen - zum Beispiel Wasserrohre aus PVC, die üblicherweise in privaten und gewerblichen Rohrleitungen verwendet werden - bestehen immer noch vollständig aus herkömmlichem Kunststoff. Insgesamt stammen weniger als 0.5 Prozent aller Kunststoffe aus Nicht-Erdölquellen, so die Society of the Plastics Industry, eine Industrie-Handelsgruppe mit Sitz in Washington, DC

Staatliche Regulierung jedoch führt zum vermehrten Einsatz von Biokunststoffen. In 2014 Illinois verboten Mikrokügelchen, winzige Kunststoff Schleifmittel üblicherweise in Gesichts-Peelings, Shampoo und Zahnpasta, aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Umweltzerstörung in der Region der Großen Seen. Bei weniger als einem Millimeter Durchmesser, Mikrokugeln sind zu klein, um Kläranlagen gefiltert werden und haben in Süß- und Meer Umgebungen gefunden.

Konsumgüter, die aus biologisch abbaubaren PHA hergestellt werden können, gehören Taschen, Geschirr und Elektrokabelmäntel. Foto mit freundlicher Genehmigung von Metabolix.

Aufgrund eines bundesweiten Verbots von Mikrokügelchen schloss Metabolix im März eine Partnerschaft mit Honeywell, um eine biologisch abbaubare Alternative zu Mikroperlen herzustellen. Die Mikroperlen, die die beiden Unternehmen entwickeln, bestehen aus Polyhydroxyalkanoaten oder PHA, einem biobasierten Kunststoff, der teurer, aber auch vielseitiger ist PLA. Die Microbeads, die die beiden Firmen entwickeln, werden aus Maisstärke hergestellt, obwohl sie auch aus Non-Food-Kulturen wie Rutenhirse hergestellt werden könnten. PHA-Mikroperlen werden sich in wenigen Monaten zu Kohlendioxid und Wasser zersetzen, genauso wie Zellulose oder Papier, sagt Peoples.

Um die Downside

Da wir unsere Abhängigkeit von Kunststoffen aus Nutzpflanzen wie Mais oder Zuckerrohr stammt erhöhen, könnten wir versehentlich neue Umweltprobleme einzuführen. Eine aktuelle Studie in der Zeitschrift Sauberere Produktion bemerkt Biokunststoffen aus landwirtschaftlichen Einsatzstoffen gewachsen Verwenden Sie erhebliche Mengen an Wasser, Pestizide und Düngemittel das kann Luft- und Wasserverschmutzung verursachen und um Land konkurrieren mit den Getreide, die für Nahrung angebaut werden.

Ein möglicher Weg, um die Schattenseiten von pflanzenbasierten Kunststoffen zu erhalten, während immer noch die Verringerung der Abhängigkeit vom Erdöl ist CO zu verwenden,₂ als Ausgangsmaterial statt. Novomer, ein Unternehmen ausgesponnen aus der Forschung an der Cornell University in Ithaca, New York, dreht Abfall CO₂ von Ethanol-Produktionsanlagen in Kunststoff. Das Unternehmen stellt Polyole her - Polymere, die für die Herstellung von Weichschaum in Matratzen, Sitzkissen und Isolierungen verwendet werden, sowie eine Reihe von Spezialbeschichtungen und Dichtungsmassen.

"Wenn Ihre Matratze aus unserem Material hergestellt würde, wäre das ungefähr 22-Gewichtsprozent Kohlendioxid", sagt Peter Shepard, Executive Vice President von Polymer bei Novomer. "Es nimmt ein Treibhausgas, das ein Abfallmaterial ist, und verwandelt es in ein wertvolles Produkt. "

Typischerweise CO₂ zu träge ist mit anderen Verbindungen zu reagieren, deren Verwendung in Kunststoffen oder anderen Anwendungen erschwert. Geoffrey Coates, Chemieprofessor an der Cornell University in Ithaca und Mitbegründer von Novomer entwickelte einen Katalysator, der die Reaktivität von CO erhöht₂ während gleichzeitig die Reaktivität eines anderen wichtigen Polyolbestandteils verlangsamt wird - was die Einarbeitung von CO erleichtert₂ in das resultierende Polymer.

"Es ist wie wenn man Kinder hat und man ihnen Pizza und Brokkoli gibt und man ihnen sagt, dass man bei jeder Pizza essen muss", sagt Coates, der auch Mitglied des Centre of Sustainable Polymers ist .

Die größte Herausforderung für Biokunststoffe ist, dass sie gegenüber konventionellen Kunststoffen konkurrieren, unglaublich preiswerte Materialien, die für den letzten 60 Jahren Scheer says.The Polyolen durch Novomer abbaubar sind, aber verlieren ihre Abbaubarkeit in Kombination mit erdölbasierten Chemikalien geschliffen worden zu machen Schaum.

Obwohl das Unternehmen derzeit auf die Herstellung von Schaumstoffen und Dichtstoffe konzentriert, sagt Shepard KDVern Novomer₂-basierte Polymere könnten verwendet werden, um abbaubare Kunststoffe mit CO herzustellen₂ Inhalt so hoch wie 50 Prozent.

größte Herausforderung

Trotz des starken Wachstums in den letzten Jahren, manche sagen Biokunststoffen nicht, um ihr Potenzial gerecht geworden.

"Die Biokunststoffbranche hat Polymere nicht in der Lage zu schaffen, die im Hinblick auf die Preisgestaltung und in Bezug auf die Eigenschaften attraktiv genug sind, dass die Welt bereit machen zu ändern", sagt Frederick Scheer, der ehemalige CEO von Cereplast, einer einst führenden Biokunststoffen Unternehmen dass Konkurs in 2014.

Die größte Herausforderung für Biokunststoffe besteht darin, dass sie gegen konventionelle Kunststoffe konkurrieren, unglaublich preiswerte Materialien, die für die vergangenen 60-Jahre optimiert wurden, sagt Scheer.

"Die Menschen sind sich der Umweltauswirkungen von ölbasierten Materialien, die nicht biologisch abbaubar sind, etwas bewusst, aber sie sind nicht bereit, die zusätzlichen Dollar auszugeben, um [neue] Arten von Materialien zu fördern", sagt er.

Der Wettbewerb mit erdölbasiertem Kunststoff hat sich im letzten Jahr nur verschärft, da der Ölpreis um die Hälfte gefallen ist. "Um mit traditionellem ölbasierten Material wettbewerbsfähig zu sein, brauchten wir den Ölpreis irgendwo um $ 130, $ 140 pro Barrel", sagt Scheer. "Natürlich sind wir bei $ 50 ein Fass weit davon entfernt, im Wettbewerb bestehen zu können."

Scheer sagt, dass die Fähigkeit besteht, den gesamten Kunststoff der Welt aus Nicht-Erdölquellen herzustellen, aber dies würde eine erhebliche Unterstützung der Regierung erfordern. "Es wird von einer Regulierung getrieben werden müssen, die die Kosten für Plastik und die Kosten für Öl wesentlich höher treiben wird, als es jetzt ist", sagt er.

Polyethylen Wettbewerber?

Wenn nachhaltige Kunststoffe, die unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern und sich am Ende ihrer Nutzungsdauer abbauen, in den Mainstream münden, müssen sie in der Lage sein, nicht nur für Mikroperlen, Schaum und andere Spezialanwendungen, sondern auch für Thermoplaste einzusetzen - kostbare, formbare Polymere, die jedes Jahr mehr als 80 Prozent der Hunderte Millionen Tonnen produzierten Tonnen Kunststoff ausmachen.

Coates arbeitet nun an einem neuen Biopolymer mit Eigenschaften, die denen von Polyethylen, dem am weitesten verbreiteten Thermoplasten, der von Müllbeuteln über Wasserflaschen bis hin zu Plastikspielzeug reicht, vergleichbar oder besser als dieser sind.

Sogar eine dünne Schicht Polyethylen ist unglaublich stark. So entstehen zum Beispiel Mailing-Umschläge, die man ohne Scheren oder Milchkännchen kaum öffnen kann, die beim Herunterfallen auf dem Boden nicht zerbrechen. "Das meiste ist, weil es ein semikristallines Material ist", sagt Coates. "Die [Polymer-] Ketten packen auf sehr enge und spezifische Weise nebeneinander, was insgesamt ziemlich beeindruckende Eigenschaften liefert."

In einer 2014 Studie veröffentlicht in der Journal of the American Chemical SocietyCoates und Kollegen von Cornell beschrieben ein neues Material mit einer semikristallinen Struktur, das aus einem Ausgangsmaterial für Zucker besteht und ähnliche Eigenschaften wie Polyethylen aufweist, aber am Ende seiner Lebensdauer besser zersetzt werden kann.

"Es passiert nicht über Nacht, aber ich denke, es gibt gewisse positive Hinweise darauf, dass es ein echter Konkurrent für einen Kunststoff wie Polyethylen sein könnte", sagt Hillmyer.

Das neue Material, das als Poly (polypropylen-Succinat) bekannt ist, wurde nicht getestet, um zu sehen, wie schnell es sich in einer Deponie oder Meeresumgebung zersetzen würde. Aber aufgrund seiner Zusammensetzung, so Coates, sollte es nach einigen Monaten in Wasser abgebaut werden, ein Zeitraum, der die Nutzungsdauer der meisten Einwegprodukte überschreiten würde. Poly (polypropylensuccinat) zerfällt in Propylenglykol und Bernsteinsäure, nichttoxische Materialien, die weiter zu CO reduziert werden₂ und Wasser, wenn sie von Mikroben aufgenommen.

"Wenn Sie Polymerabbauprodukte essen müssten, wären dies die, die Sie möchten", sagt Coates.

Es ist unwahrscheinlich, dass Poly (Polypropylen succinat) wird immer weniger kosten auf ein Pfund-für-Pfund-Basis als konventionelle Polyethylen, aber seine einzigartige kristalline Struktur legt nahe, es ist besser als sein Erdöl Gegenstück durchführen konnte. Wenn ja, Biokunststoffe Hersteller können eines Tages der Lage sein, mit der heutigen Kunststoffindustrie zu konkurrieren, indem sie Dinge wie Milchkannen mit deutlich weniger Material als Kunststoffe auf Erdölbasis zu machen.

Bergauf Schlacht

Kurze staatlichen Vorschriften zu fegen, die einen Preis für Kohlenstoff platzieren oder verlangen, dass alle Kunststoffe biologisch abgebaut wird, Biokunststoffe müssen Wege finden werden, herkömmliche Kunststoffe zu outcompete, wenn sie jemals mehr als Nischenanwendungen zu füllen werden.

Es ist ein harter Kampf - aber eine, die andere einmal Nischenprodukt, das Solarpanel, zunehmend gewinnen ist.

In 2007 machte Solarstrom weniger als 0.1 Prozent der US-Stromerzeugung aus. Dank Einfallsreichtum und Innovation ist der Preis für Photovoltaik-Module von US $ 4 pro Watt auf US $ 0.50 pro Watt gefallen. Damit ist Solar die am schnellsten wachsende Stromquelle des Landes.

Könnte die auf Biokunststoffe arbeiten sehen eine ähnliche grundlegende Veränderung? Letztlich wird eine Menge wahrscheinlich nicht nur auf Fahrt, wie gut ihre Produkte brechen, sondern darauf, wie viel sie herkömmlichen Kunststoff-Wettbewerbsvorteil kann brechen.

Über den Autor

Phil McKenna ist ein freiberuflicher Autor, der sich für die Konvergenz faszinierender Individuen und faszinierender Ideen interessiert. Er schreibt vor allem über Energie und Umwelt mit Fokus auf die Personen, die hinter den Nachrichten stehen. Seine Arbeit erscheint in Das New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER und NOVA, wo er Redakteur ist.

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf ENSIA

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