Kunstig fotosyntese og biologisk nedbrydelighed: Bekæmpelse af plasttruslen med bæredygtighed i fokus

CO2-udledning og tilstedeværelsen af ikke‑nedbrydelige plastmaterialer på Jorden er begge farer, der forårsager irreversibel skade. Især er kuldioxid, som er en varmefangende gas, med til at opvarme planeten og fører til sidst til klimaforandringer.

Denne opvarmningseffekt understreges af NASAs estimater, som viser, at menneskelige aktiviteter har øget atmosfærens kuldioxidindhold med 50 % på under 200 år. Forværrende for situationen er ikke‑nedbrydelige plastmaterialer fra materialer som styropor, engangsplastposer og plastflasker til vand, som udgør en yderligere alvorlig trussel, da de forurener grundvandet, fødekæden og luften.

Ved at tackle disse sammenvævede udfordringer har forskere fra Osaka Metropolitan University nu udviklet et gennembrud, der håndterer begge udfordringer gennem én metode. De har fundet en innovativ og effektiv måde at producere fumarinsyre på, som vil reducere kuldioxidudledningen, samtidig med at affaldet genanvendes til at fremstille biologisk nedbrydelige plastmaterialer. Lad os dykke dybere ned i, hvad denne innovation betyder, og hvordan den fungerer.

Klik her for at lære, om forebyggelse eller behandling er bedre til at tackle atmosfærisk CO2.

Bæredygtig produktion af fumarinsyre

Fumarinsyre er en komponent i biologisk nedbrydelige plastmaterialer. Den stammer traditionelt fra petroleum, kuldioxid og biomasse‑afledte forbindelser. Nu har forskerne fundet en løsning, hvor man kan producere fumarinsyre bæredygtigt og effektivt. Der har været to studier med samme mål.

I det første viste et forskerteam ledet af professor Yutaka Amao fra Forskningscenteret for kunstig fotosyntese ved Osaka Metropolitan University (OMU), hvordan man kan syntetisere fumarinsyre fra bikarbonat og biomasse‑afledt pyrovinsyre. Den energi, der blev brugt i processen, var vedvarende solenergi.

Forskerne opnåede også succes med at producere fumarinsyre ved hjælp af kuldioxid som råmateriale, der kom direkte fra gasfasen. Eksperimentet havde dog en begrænsning: Det kunne ikke producere en betydelig mængde fumarinsyre. Produktionen forblev lav.

I den efterfølgende forskning overvandt forskerne udfordringen. De udviklede en ny fotosensitizer og gjorde fremskridt inden for kunstig fotosyntese, som kunne fordoble udbyttet af fumarinsyre sammenlignet med traditionelle metoder.

Forskerne udviklede en effektiv metode til at producere synligt lys‑drevet fumarat fra gasformig CO2 og pyruvat med et system bestående af triethanolamin, kationisk vandopløselig zink‑porfyrin, zink‑tetrakis(4‑N, N, N‑trimethyl aminophenyl)porfyrin, pentametyl‑cyclopentadienyl‑koordineret rhodium(III) 2,2′‑bipyridyl‑kompleks, NAD+, malatdehydrogenase (NAD+-afhængig oxaloacetat‑dekarboxylering) og fumarase.

Forskningen, med titlen “En effektiv synligt lys‑drevet produktion af fumarat fra gasformig CO2 og pyruvat ved hjælp af et kationisk zink‑porfyrin‑baseret fotokatalytisk system med dobbelte biokatalysatorer,” blev støttet af Institute of Fermentation i Osaka.

Samlet set har forskningen empirisk påvist, at det er muligt at fremstille en avanceret kunstig fotosyntese‑katalysator, der kan udnytte kuldioxid mere effektivt i produktionen af biologisk nedbrydelige plastmaterialer.

Men hvis vi tænker videre og forsøger at vurdere, hvorfor kunstig fotosyntese og dens bidrag til bæredygtig og effektiv produktion af biologisk nedbrydelige plastmaterialer betragtes som et gennembrud, vil vi se, at plast har været en trussel, og enhver indsats for at fremstille dem bæredygtigt og nedbrydeligt bør værdsættes og opmuntres.

En af de mest alvorlige plastrelaterede skader på planeten Jorden skyldes mikroplast. definerer mikroplast som små plaststykker, der er mindre end fem millimeter lange og skader vores sundhed, havet og vandlevende liv. Kategorien omfatter også plast, der bevidst er designet til at være små. Kaldet mikroperler anvendes de i mange sundheds‑ og skønhedsprodukter. Disse mikroplast har flere skadelige konsekvenser.

Mikroplast trænger ind i vores krop gennem forskellige veje, herunder vandet vi drikker, den mad vi spiser, og de mademballage vi bruger, som alle er kanaler for oral indtagelse af mikroplast. Derudover indånder vi mikroplast gennem luften, og vores personlig pleje‑produkter og mobiltelefoncovers, som indeholder mikroplast, giver dem adgang til personlig kontakt.

Når de er inde i den menneskelige krop, kan disse mikroplast forårsage en række sundhedsproblemer. De er kendt for at fremkalde oxidativt stress og DNA-skader, føre til metaboliske lidelser og forårsage dysfunktion i vitale organer såsom lever, tarm, hjerne og luftveje. Desuden kan toksiciteten af mikroplast skade vores reproduktions‑ og udviklingskapacitet, hvilket illustrerer alvoren af deres indvirkning på menneskers sundhed.

Problemet med mikroplast rækker ud over menneskers sundhed, da disse partikler også skader marint liv. De udøver en giftig virkning på fisk og andre vandlevende organismer, hæmmer deres vækst og udvikling, øger dødeligheden, forårsager betændelse, mindsker svømmehastigheden, reducerer vitalitet og kropslængde samt forårsager tarmskader. Disse beviser understreger det presserende behov for at tackle og stoppe forurening af vores miljø med mikroplast.

Undervandsdykkertundersøgelser har fremhævet det presserende behov for innovative affaldsindsamlingsløsninger. For eksempel afslørede en banebrydende undersøgelse udført af forskere fra Desert Research Institute på Lake Tahoe-bunden et alarmerende gennemsnit på 83 stykker plastaffald per kilometer, uden et eneste stykke søbund, der var fri for plastaffald. Almindelige genstande, der blev identificeret, omfatter mademballage, flasker, plastposer og legetøj, med de seks mest almindelige plasttyper som polyvinylchlorid (PVC), polystyren, polyester/polyethylenterephthalat, polyethylen, polypropylen og polyamid.

Selvom der findes flere løsningsudbydere, der tilbyder levedygtige alternativer til at rense plast under vand, er forskerne også interesserede i at vurdere potentialet i en ‘bæredygtighedsmetrik‘ for at begrænse plastforurening. Forskere fra Woods Hole Oceanographic Institution udviklede en bæredygtighedsmetrik for den økologiske design af plastprodukter, der har lav vedholdenhed i miljøet. Forskerne mente, at denne metrik kunne levere miljømæssige og samfundsmæssige fordele.

Undersøgelsen viste en innovativ og opfindsom måde at bekæmpe plastforurening på. Tilgangen kan ses som nogenlunde lig den sociale impact‑regnskabsøvelse, vi kender. Den sammenlignede indekser for plastens miljøpåvirkning samt deres erstatninger, hvilket demonstrerede, at regnskab for plastens miljømæssige vedholdenhed og effektiv udskiftning kan betyde gevinster på flere hundrede millioner dollars for et enkelt forbrugerprodukt.

Mens han forklarede betydningen af undersøgelsen, sagde studiets hovedforfatter, Bryan James, materialvidenskabsmand og ingeniør,:

“Det vigtige er at fastslå, hvordan vi kan designe funktionelle, bæredygtige og harmløse materialer, produkter og processer, der indkapsler alle principperne for grøn materialeteknik i den fremtidige verden, vi skal leve i.”

Samlet set har fremstillingen af plast, der er tilstrækkeligt biologisk nedbrydelige, og identifikationen af egnede alternativer holdt den videnskabelige og teknologiske fællesskab travlt. Der er mange virksomheder, store og små, der aktivt arbejder inden for dette område.

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group har i længere tid været en aktiv deltager i dette område. Som medlem af Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), etableret i oktober 2012, deltog Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) i et kunstig fotosyntese‑projekt udført af New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Siden da har Mitsubishi arbejdet på at opnå større effektivitet og optimering af processen.

Det handlede om bæredygtig produktion af fumarinsyre i den forskning, vi havde som indledning til vores diskussion. Mitsubishi Chemical Groups indsats er dog rettet mod produktion af Olefin.

I denne proces spiller en syntetisk katalysator en afgørende rolle ved at muliggøre reaktionen mellem adskilt hydrogen og kuldioxid. Mitsubishis innovative arbejde med at udvikle en egnet katalysator og forfine de nødvendige proces‑teknologier har væsentligt forbedret udbyttet, så produktionen af Olefin er mere effektiv.

Som resultat er Olefin blevet et effektivt produceret råmateriale til fremstilling af plast, hvilket viser Mitsubishis bidrag til at fremme bæredygtige produktionspraksisser i den kemiske industri.

Green Innovation Project, drevet af NEDO, udvalgte Mitsubishis kommercielle udvikling af kunstig fotosyntese‑baseret produktion af kemiske råmaterialer til finansiering i februar 2022.

I senere udviklingsstadier vil processen omdanne råmaterialer fra petroleum og hjælpe med at udvikle plastproduktions‑teknologi, der udnytter kuldioxid ved at anvende petrokemisk fremstillingsteknologi, katalysatorudviklingsteknologi og andre teknologier, som den har udviklet i samarbejde med universiteter og forskningsinstitutter.

Mitsubishi Corporation offentliggjorde en integreret rapport for regnskabsåret, der sluttede den 31. marts 2023. Selskabet tjente mere end 159 milliarder USD.

#2. Evonik and Siemens

I det, der kaldes teknisk fotosyntese, bruger to virksomheder, Evonik og Siemens, vedvarende energi og bakterier til at omdanne kuldioxid til specialkemikalier. Virksomhederne udfører denne opgave under et fælles forskningsprojekt kaldet Rheticus. Den første fase af forskningen resulterede i produktionen af kemikalier såsom butanol og hexanol, som begge er råmaterialer til specialplast og kosttilskud.

Ifølge Dr. Thomas Haas, ansvarlig for projektet i Evoniks strategiske forskningsafdeling Creavis:

“Med Rheticus-platformen ønsker vi at demonstrere, at kunstig fotosyntese er gennemførlig.”

For at gøre dette krav til virkelighed bidrager både Evonik og Siemens i overensstemmelse med deres kernekompetencer. For eksempel styrker Siemens processen med elektrolyseteknologi, som i første trin vil blive brugt til at omdanne kuldioxid og vand til hydrogen og kulilte ved hjælp af elektricitet.

Evoniks bidrag sigter mod at styrke fermenteringsprocessen, hvor gasser indeholdende kulilte omdannes til nyttige produkter gennem metaboliske processer faciliteret af specielle mikroorganismer.

Mens han uddyber dets potentiale til at hjælpe plast- og specialkemikalieindustrien, sagde Dr. Haas:

“Dens modulære karakter og fleksibilitet med hensyn til placering, råmaterialekilder og fremstillede produkter gør den nye platform særlig attraktiv for specialkemikalieindustrien. Vi er sikre på, at andre virksomheder vil bruge platformen og integrere den med deres egne moduler for at fremstille deres kemiske produkter.”

Ifølge de seneste tilgængelige årsregnskaber, registrerede Evonik Group et salg på næsten 18,5 milliarder euro i 2022. Af denne omsætning bidrog specialtilsætningsstoffer og ernæring & pleje med hver 23 %. Indtægter fra smarte materialer udgjorde 26 % af omsætningen, mens performance‑materialer bidrog med 20 %, og teknologi‑ og infrastrukturprodukter og -tjenester bidrog med 8 %.

I regnskabsåret 2023 registrerede Siemens en årlig omsætning på næsten 22 milliarder euro, en betydelig stigning fra 19,5 milliarder euro i regnskabsåret 2022.

Plast og vores rejse mod bæredygtighed

Gennem fælles indsats skal vi sikre, at vi tager de rette skridt mod en fremtid fyldt med bioplast, som enten er biologisk nedbrydelige plastmaterialer eller biobaserede materialer, der får energi fra vedvarende ressourcer. Disse bioplast vil i forhold til holdbarhed og anvendelighed ikke være mindre end konventionel plast. De kan behandles i traditionelle plastmaskiner og opbevares i almindelige lagre, hvilket effektivt fjerner behovet for ressourceoverflødighed.

Hvis vi ikke formår at finde et levedygtigt alternativ til plastaffaldets trussel, vil det medføre alvorlige farer for flere lande verden over. Sydøstasien er for eksempel allerede blevet et ‘hot spot’ for plastforurening, en situation forværret af hurtig urbanisering og en voksende middelklasse. Yderligere forværret af manglende effektiv infrastruktur har dette resulteret i lav effektivitet for genanvendelig plast.

Dette problem med affaldsmisforvaltning er yderligere forværret i COVID‑perioden på grund af forbruget af masker, sanitetsflasker og emballage til online‑levering. Ifølge data præsenteret af Verdensbanken går i lande som Thailand, Filippinerne og Malaysia mere end 75 % af den materialværdi, der kan genanvendes, tabt – svarende til 6 milliarder dollars om året, når engangsplast kasseres i stedet for at blive genvundet og genanvendt.

I lyset af sådan affaldsmisforvaltning og utilstrækkelig infrastruktur fremstår bioplast som det mest effektive alternativ, der er uafhængigt af sådanne fejl. Desuden understøtter bioplast vores bæredygtighedsindsats, da de er mindre afhængige af konventionelle fossile brændstoffer. Brug af biologisk nedbrydelig plast betyder også forbedrede slut‑liv‑scenarier for bortskaffelse og genanvendelse.

Alligevel er andelen af bioplast stadig langt under, hvad den bør være, for at vores fremtid kan være fuldt afhængig af bæredygtige metoder. Ifølge et estimat udgør bioplast mindre end én procent af de 367 millioner ton plast, der produceres globalt hvert år. Det forventes dog at opleve betydelig vækst i de kommende år på tværs af mange anvendelsesområder, herunder emballage, forbrugsvarer, byggeri og konstruktion, bil- og transportsektoren, tekstiler, landbrug og havebrug, el‑ og elektronik, belægninger og lim, og mere.

Spidskompetente forskningsbaserede teknologier, såsom kunstig fotosyntese og bæredygtig produktion af plastkomponenter drevet af vedvarende energikilder, vil have en betydelig indvirkning på måderne at håndtere plast på. Disse processer vil ikke kun betyde mere miljøvenlig plast, men også et produktionsøkosystem, der er bæredygtigt og næsten emissionsfrit.