Moderne Kunststoffe stammen zu über 99 zu etwa 100 Prozent aus Öl, aber neue Optionen auf Bio-Basis stehen zur Verfügung. Icons von Vectors Market, Freepik und Srip, CC BY

Was haben Ihr Auto, Ihr Telefon, Ihre Soda-Flasche und Ihre Schuhe gemeinsam? Sie bestehen größtenteils aus Erdöl. Diese nicht erneuerbare Ressource wird zu einem vielseitigen Satz von Chemikalien, den Polymeren - oder häufiger zu Kunststoffen - verarbeitet. Über 5 Milliarden Gallonen Öl pro Jahr werden allein in Kunststoffe umgewandelt.

Polymere stehen hinter vielen wichtigen Erfindungen der letzten Jahrzehnte 3D Druck. Sogenannte "technische Kunststoffe", die in Anwendungen von Automobilen über das Bauwesen bis hin zu Möbeln verwendet werden, weisen überlegene Eigenschaften auf und können sogar dazu beitragen, Umweltprobleme zu lösen. Zum Beispiel dank technischer Kunststoffe Fahrzeuge sind jetzt leichter, so erhalten sie einen besseren Kraftstoffverbrauch. Aber da die Anzahl der Anwendungen steigt, So auch die Nachfrage nach Kunststoffen. Die Welt produziert bereits jedes Jahr über 300 Millionen Tonnen Kunststoff. Die Anzahl könnte sechsmal so hoch sein wie bei 2050.

Petro-Kunststoffe sind im Grunde gar nicht so schlecht, aber eine verpasste Chance. Zum Glück gibt es eine Alternative. Der Wechsel von Polymeren auf Erdölbasis zu Polymeren auf biologischer Basis könnte die Kohlenstoffemissionen jedes Jahr um Hunderte Millionen Tonnen verringern. Biobasierte Polymere sind nicht nur erneuerbar und umweltfreundlicher zu produzieren, sondern können sich tatsächlich als Klimaschwemmer auf den Klimawandel auswirken. Aber nicht alle Biopolymere sind gleich aufgebaut.

Biokunststoffe sind nicht auf Ölbohrungen angewiesen, da sie ihren Kohlenstoff aus CO beziehen? bereits in der Atmosphäre. QiuJu Song / Shutterstock.com

Abbaubare Biopolymere

Sie haben vielleicht begegnetBiokunststoffe”Vor allem als wegwerfgeschirr - diese kunststoffe stammen aus pflanzen statt aus öl. Solche Biopolymere werden hergestellt, indem Zucker, meist aus Zuckerrohr, Zuckerrüben oder Mais, Mikroorganismen zugeführt werden, die Vorläufermoleküle erzeugen, die gereinigt und chemisch miteinander verbunden werden können, um Polymere mit verschiedenen Eigenschaften zu bilden.

Pflanzliche Kunststoffe sind aus zwei Gründen besser für die Umwelt. Erstens sinkt der Energieverbrauch für die Herstellung von Kunststoffen auf pflanzlicher Basis drastisch. um bis zu 80 Prozent. Während jede Tonne erdölbasierter Kunststoff 2 bis 3 Tonnen CO0.5 erzeugt, kann dieser Wert auf etwa XNUMX Tonnen COXNUMX reduziert werden. pro Tonne Biopolymer, und die Prozesse werden immer besser.

Zweitens können pflanzliche Kunststoffe biologisch abbaubar sein, sodass sie sich nicht in Deponien ansammeln.

Obwohl es für Einwegartikel wie Plastikgabeln großartig ist, biologisch abzubauen, ist manchmal eine längere Lebensdauer wichtig - Sie möchten wahrscheinlich nicht, dass sich das Armaturenbrett Ihres Autos mit der Zeit langsam in einen Pilzhaufen verwandelt. Viele andere Anwendungen erfordern die gleiche Widerstandsfähigkeit wie Baumaterialien, medizinische Geräte und Haushaltsgeräte. Biologisch abbaubare Biopolymere sind auch nicht recycelbar. Das bedeutet, dass mehr Pflanzen angebaut und verarbeitet werden müssen, um die Nachfrage zu befriedigen.

Biopolymere als Kohlenstoffspeicher

Unabhängig von der Quelle werden Kunststoffe hauptsächlich aus Kohlenstoff hergestellt – etwa 80 Gewichtsprozent. Während aus Erdöl gewonnene Kunststoffe kein CO freisetzen? Ebenso wie die Verbrennung fossiler Brennstoffe tragen sie auch nicht dazu bei, den Überschuss dieses gasförmigen Schadstoffs zu binden – der Kohlenstoff aus flüssigem Öl wird einfach in feste Kunststoffe umgewandelt.

Bio-Polymere dagegen sind von Pflanzen abgeleitet, die mithilfe der Photosynthese CO2, Wasser und Sonnenlicht in Zucker umwandeln. Wenn diese Zuckermoleküle in Biopolymere umgewandelt werden, werden die Kohlenstoff wird effektiv weggesperrt aus der Atmosphäre - solange sie nicht biologisch abgebaut oder verbrannt werden. Selbst wenn Biopolymere auf einer Mülldeponie landen, werden sie immer noch diese Rolle als Kohlenstoffspeicher spielen.

CO? besteht nur aus etwa 28 Prozent Kohlenstoff nach GewichtDaher stellen Polymere ein riesiges Reservoir für die Speicherung dieses Treibhausgases dar. Wenn die derzeitige weltweite jährliche Versorgung mit rund 300 Millionen Tonnen Polymeren allesamt nicht biologisch abbaubar und biobasiert wäre, entspräche dies einer Gigatonne – einer Milliarde Tonnen – gebundenem CO?, also etwa 2.8 Prozent aktuelle globale Emissionen. In einer kürzlich erschienenen BerichtDer Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen bezeichnete die Erfassung, Speicherung und Wiederverwendung von Kohlenstoff als eine Schlüsselstrategie zur Eindämmung des Klimawandels. Biobasierte Polymere könnten einen entscheidenden Beitrag leisten, bis zu 20 Prozent des CO? Entfernung erforderlich, um die globale Erwärmung auf 1.5 Grad Celsius zu begrenzen.

Der nicht abbaubare Markt für Biopolymer

Aktuelle Strategien zur Kohlenstoffbindung, einschließlich geologische Lagerung Das pumpt CO? Abgas unterirdisch bzw Regenerative Landwirtschaft Das speichert mehr Kohlenstoff im Boden und stützt sich stark auf die Politik, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Während dies kritische Mechanismen für die Abschwächung des Klimawandels sind, hat die Bindung von Kohlenstoff in Form von Biopolymeren das Potenzial, einen anderen Treiber zu nutzen: Geld.

Der preisbasierte Wettbewerb allein war für Biopolymere eine Herausforderung frühe Erfolge einen Weg zu größerer Durchdringung zeigen. Ein aufregender Aspekt ist die Möglichkeit, auf neue Chemikalien zuzugreifen, die derzeit nicht in Polymeren auf Erdölbasis zu finden sind.

Petro-Plastikflaschen können nur ein paar Mal max. Recycelt werden. hans / pixabay, CC BY

Berücksichtigen Sie die Recyclingfähigkeit. Es gibt wenige traditionelle Polymere wirklich recycelbar. Tatsächlich sind diese Materialien meistens Downcycling, was bedeutet, dass sie nur für Anwendungen mit geringem Wert, wie z. B. Baumaterialien, geeignet sind. Dank der Werkzeuge der Gen- und Enzymtechnik jedoch Eigenschaften wie vollständige Recyclingfähigkeit - wodurch das Material wiederholt für die gleiche Anwendung verwendet werden kann - kann von Anfang an zu Biopolymeren gestaltet werden.

Bio-Polymere heute basieren weitgehend auf natürlichen Fermentationsprodukten bestimmter Bakterienarten, wie z. B. der Produktion von Milchsäure durch Lactobacillus - das gleiche Produkt, das die Säure in sauren Bieren liefert. Obwohl dies ein guter erster Schritt ist, deuten neuere Forschungen darauf hin, dass die wahre Vielseitigkeit von Biopolymeren in den kommenden Jahren freigesetzt werden wird. Danke an die moderne Fähigkeit, Proteine ​​herzustellen und DNA zu modifizierenDas kundenspezifische Design von Biopolymer-Vorläufern ist nun in greifbare Nähe gerückt. Damit wird eine Welt neuer Polymere möglich – Materialien, in denen das heutige CO? wird in einer nützlicheren und wertvolleren Form vorliegen.

Flugzeuge werden auch zunehmend aus Polymeren hergestellt - Biopolymere sind der nächste Schritt. Eric Salard / Wikimedia Commons, CC BY-SA

Um diesen Traum zu verwirklichen, bedarf es weiterer Forschung. Während frühe Beispiele heute hier sind - wie das teilweise biobasierte Coca-Cola PlantBottle - Die für viele der vielversprechendsten neuen Biopolymere erforderliche Biotechnologie befindet sich noch in der Forschungsphase - wie a erneuerbare Alternative zu Kohlefasern das könnte in allem von Fahrrädern bis zu Windturbinenblättern verwendet werden.

Die Politik der Regierung zur Unterstützung der Kohlenstoffbindung würde auch die Akzeptanz fördern. Durch diese Art der Unterstützung ist der signifikante Einsatz von Biopolymeren als Kohlenstoffspeicher in den nächsten fünf Jahren möglich - eine Zeitachse, die das Potenzial hat, einen wesentlichen Beitrag zur Lösung der Klimakrise zu leisten.

Über den Autor

Joseph Rollin, Postdoktorand in Bioenergie, Nationales Erneuerbare-Energielaboratorium und Jenna E. Gallegos, Postdoc-Forscherin für chemische und biologische Ingenieurwissenschaften, Colorado State University

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