Sostenibilidad
Fotosíntesis artificial y biodegradabilidad: combatir la amenaza del plástico teniendo en cuenta la sostenibilidad
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La emisión de CO2 y la presencia de plásticos no biodegradables en la Tierra son peligros que causan daños irreversibles. Es significativo que el dióxido de carbono, al ser un gas que atrapa el calor, calienta el planeta y, en última instancia, provoca el cambio climático.
Este efecto de calentamiento se ve subrayado por las estimaciones de la NASA, que revelan que las actividades humanas han aumentado la el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera en un 50% en menos de 200 años. La situación empeora aún más con los plásticos no biodegradables obtenidos de materiales como la espuma de poliestireno, las bolsas de plástico desechables y las botellas de agua de plástico, que representan otra grave amenaza, ya que contaminan las aguas subterráneas y la cadena alimentaria y contaminan el aire.
Para abordar estos desafíos entrelazados, investigadores de la Universidad Metropolitana de Osaka han ideado un gran avance que aborda ambos desafíos a través de una única ruta. Ha surgido con una forma innovadora y eficiente de producir ácido fumárico que reducirá los niveles de emisión de dióxido de carbono y al mismo tiempo reutilizará los desechos para fabricar plásticos biodegradables. Profundicemos en la comprensión de qué significa esta innovación y cómo funciona.
Producción Sostenible de Ácido Fumárico
El ácido fumárico es un componente de los plásticos biodegradables. Tradicionalmente proviene del petróleo, el dióxido de carbono y compuestos derivados de la biomasa. Ahora, los investigadores han encontrado una solución que permite producir ácido fumárico de forma sostenible y eficiente. Se han realizado dos estudios con el mismo objetivo final.
En el primero, un equipo de investigación dirigido por el profesor Yutaka Amao del Centro de Investigación para la Fotosíntesis Artificial de la Universidad Metropolitana de Osaka (OMU) exhibió las formas de sintetizar ácido fumárico a partir de bicarbonato y ácido pirúvico derivado de biomasa. La energía utilizada en el proceso fue energía solar renovable.
Los científicos también lograron éxito en la producción de ácido fumárico con dióxido de carbono que aportó como materia prima al proceso, proveniente directamente de la fase gaseosa. Sin embargo, el experimento enfrentó una limitación. No pudo producir un volumen sustancial de ácido fumárico. La producción siguió siendo baja.
Sin embargo, en la investigación posterior, los científicos superaron el desafío. Desarrollaron un nuevo fotosensibilizador y lograron avances en la fotosíntesis artificial que podrían duplicar la producción de ácido fumárico en comparación con los métodos tradicionales.
Los científicos desarrollaron una manera efectiva de producir fumarato impulsado por luz visible a partir de CO2 gaseoso y piruvato con el sistema que consiste en trietanolamina, porfirina de zinc catiónica soluble en agua, tetrakis(4-N, N, N-trimetilaminofenil)porfirina de zinc, pentametilciclopentadienilo. complejo coordinado de rodio (III) 2,2′-bipiridilo, NAD+, malato deshidrogenasa (oxalacetato-descarboxilante dependiente de NAD+) y fumarasa.
La investigación, titulada "Una producción eficaz de fumarato impulsada por luz visible a partir de CO2 gaseoso y piruvato mediante el sistema fotocatalítico catiónico basado en porfirina de zinc con biocatalizadores duales", contó con el apoyo del Instituto de Fermentación de Osaka.
En general, la investigación ha establecido empíricamente que era posible fabricar un catalizador de fotosíntesis artificial avanzado que podría utilizar el dióxido de carbono de manera más eficiente para producir plásticos biodegradables.
Pero, si pensamos más y tratamos de evaluar por qué la fotosíntesis artificial y su contribución a la producción sostenible y eficiente de plásticos biodegradables se considera un gran avance, veremos que los plásticos han sido una amenaza, y cualquier esfuerzo para hacerlos biodegradables producidos de manera sostenible debería ser apreciado y alentado.
Uno de los daños relacionados con el plástico más graves en el planeta Tierra es el causado por los microplásticos. La Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos define los microplásticos como pequeñas piezas de plástico que miden menos de cinco milímetros de largo y causan daños a nuestra salud, a los océanos y a la vida acuática. La categoría también incluye plásticos que están diseñados intencionalmente para ser pequeños. Llamadas microperlas, se utilizan en muchos productos de salud y belleza. Estos microplásticos conllevan varias implicaciones dañinas.
Los microplásticos entran en nuestro cuerpo a través de diferentes vías, incluido el agua que bebemos, los alimentos que consumimos y los recipientes de alimentos que utilizamos, todos los cuales son vías de ingesta oral de microplásticos. Además, inhalamos microplásticos a través del aire, y nuestros productos de cuidado personal y fundas para teléfonos móviles, que contienen microplásticos, crean espacios para que entren en nuestro contacto personal.
Una vez dentro del cuerpo humano, estos microplásticos pueden causar una serie de problemas de salud. Se sabe que inducen estrés oxidativo y daño al ADN, provocan trastornos metabólicos y disfunciones en órganos vitales como el hígado, los intestinos, el cerebro y las vías respiratorias. Además, la toxicidad de los microplásticos puede dañar nuestras capacidades reproductivas y de desarrollo, lo que ilustra la gravedad de su impacto en la salud humana.
El problema de los microplásticos va más allá de la salud humana, ya que estas partículas también dañan la vida marina. Ejercen un efecto tóxico sobre los peces y otros organismos acuáticos, inhibiendo su crecimiento y desarrollo, aumentando las tasas de mortalidad, provocando inflamación, disminuyendo la velocidad de nado, reduciendo la vitalidad y la longitud del cuerpo y provocando lesiones intestinales. Esta evidencia subraya la necesidad apremiante de abordar y detener la contaminación de nuestro medio ambiente con microplásticos.
A la luz de esto, recientes estudios de buceo submarino Han puesto de relieve la urgente necesidad de soluciones innovadoras para la recogida de residuos. Por ejemplo, un estudio pionero realizado por investigadores del Instituto de Investigación del Desierto en el lecho del lago Tahoe reveló un alarmante promedio de 83 piezas de basura plástica por kilómetro, sin que se encontrara ningún tramo del lecho libre de basura plástica. Entre los artículos comunes identificados se incluyen envases de alimentos, botellas, bolsas de plástico y juguetes. Los seis tipos de plástico más comunes son el cloruro de polivinilo (PVC), el poliestireno, el poliéster/tereftalato de polietileno, el polietileno, el polipropileno y la poliamida.
Si bien existen varios proveedores de soluciones que ofrecen alternativas viables para limpiar los plásticos submarinos, los investigadores también están interesados en evaluar el potencial de un 'métrica de sostenibilidadPara reducir la contaminación por plásticos, los investigadores del Instituto Oceanográfico Woods Hole desarrollaron una métrica de sostenibilidad para el diseño ecológico de productos plásticos de baja persistencia en el medio ambiente. Los investigadores creían que esta métrica podría generar beneficios ambientales y sociales.
El estudio mostró una forma innovadora e inventiva de abordar la amenaza de la contaminación plástica. El enfoque podría verse como algo similar a los ejercicios de contabilidad del impacto social que conocemos. Comparó índices del impacto ambiental de los plásticos y sus sustitutos, lo que demostró que tener en cuenta la persistencia ambiental del plástico y reemplazarlo de manera eficiente podría significar ganancias de cientos de millones de dólares para un solo producto de consumo.
Al explicar la importancia del estudio, el autor principal del estudio, Bryan James, científico e ingeniero de materiales, dijo:
“Lo importante es determinar cómo podemos diseñar materiales, productos y procesos funcionales, sostenibles y benignos que incorporen todos los principios de la ingeniería de materiales ecológicos para el mundo futuro en el que viviremos”.
En general, fabricar plásticos que sean adecuadamente biodegradables e identificar alternativas adecuadas para ellos ha mantenido ocupada a la comunidad científica y tecnológica. Hay muchas empresas, grandes y pequeñas, que están trabajando activamente en este ámbito.
#1. Grupo químico Mitsubishi
Mitsubishi Chemical Group ha participado activamente en este espacio desde hace bastante tiempo. Como miembro de la Asociación Japonesa de Investigación Tecnológica del Proceso Químico Fotosintético Artificial (ARPChem), establecida en octubre de 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) participó en un proyecto de Fotosíntesis Artificial dirigido por la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Nuevas Energías (NEDO). Desde entonces, Mitsubishi ha ido superando los límites para lograr una mayor eficiencia y optimización del proceso.
La investigación que iniciamos nuestra discusión trataba sobre la producción sostenible de ácido fumárico. Sin embargo, los esfuerzos de Mitsubishi Chemical Group se centran en la producción de olefinas.
En este proceso, un catalizador sintético desempeña un papel fundamental al permitir la reacción entre el hidrógeno separado y el dióxido de carbono. La innovación de Mitsubishi en el desarrollo de un catalizador adecuado y el perfeccionamiento de las tecnologías de proceso necesarias ha mejorado significativamente el rendimiento, aumentando la eficiencia de la producción de olefinas.
Como resultado, la olefina se ha convertido en una materia prima producida de manera eficaz para la creación de plásticos, lo que demuestra la contribución de Mitsubishi al avance de las prácticas de fabricación sustentables en la industria química.
El Proyecto de Innovación Verde, dirigido por NEDO, seleccionó el desarrollo comercial de Mitsubishi de producción de materia prima química basada en la fotosíntesis artificial para su financiación en febrero de 2022.
En etapas posteriores de desarrollo, el proceso convertirá materias primas del petróleo y ayudará a desarrollar tecnología de producción de plástico que aproveche el dióxido de carbono mediante el uso de tecnología de fabricación petroquímica, tecnología de desarrollo de catalizadores y otras tecnologías que ha cultivado mientras colaboraba con universidades e institutos de investigación.
La Corporación Mitsubishi publicó un informe integrado para el año fiscal que finaliza el 31 de marzo de 2023. La empresa ganó más de 159 mil millones de dólares.
#2. Evonik y Siemens
En lo que se llama fotosíntesis técnica, dos corporaciones, Evonik y Siemens, están utilizando energía renovable y bacterias para convertir el dióxido de carbono en productos químicos especiales. Las corporaciones están llevando a cabo esta tarea en el marco de un proyecto de investigación conjunto llamado Rheticus. En la primera fase de la investigación se produjeron productos químicos como el butanol y el hexanol, que sirven como materia prima para plásticos especiales y complementos alimenticios.
Según el Dr. Thomas Haas, responsable del proyecto en el departamento de investigación estratégica Creavis de Evonik:
"Con la plataforma Rheticus queremos demostrar que la fotosíntesis artificial es factible".
Para hacer realidad esta afirmación, tanto Evonik como Siemens contribuyen según sus competencias principales. Por ejemplo, Siemens está potenciando el proceso con tecnología de electrólisis, que se utilizará en el primer paso para convertir dióxido de carbono y agua en hidrógeno y monóxido de carbono utilizando electricidad.
Las contribuciones de Evonik están orientadas a fortalecer el proceso de fermentación, donde los gases que contienen monóxido de carbono se convertirían en productos útiles mediante procesos metabólicos facilitados por microorganismos especiales.
Mientras explicaba su potencial para ayudar a la industria del plástico y de productos químicos especializados, el Dr. Haas dijo:
“Su naturaleza modular y su flexibilidad en términos de ubicación, fuentes de materias primas y productos fabricados hacen que la nueva plataforma sea atractiva para la industria de productos químicos especializados en particular. Confiamos en que otras empresas utilizarán la plataforma y la integrarán con sus propios módulos para fabricar sus productos químicos”.
Según Mayo Clinic últimos estados financieros anuales disponibles, Evonik Group registró unas ventas de casi 18.5 millones de euros en 2022. De estos ingresos, los aditivos especiales y la nutrición y el cuidado contribuyeron con el 23% cada uno. Los ingresos por materiales inteligentes constituyeron el 26% de los ingresos, mientras que los materiales de alto rendimiento contribuyeron con el 20% y los productos y servicios de tecnología e infraestructura contribuyeron con el 8%.
En el año fiscal 2023, Siemens registró unos ingresos anuales de cerca de 22 millones de euros, un aumento significativo con respecto a los 19.5 millones de euros registrados en el año fiscal 2022.
Los plásticos y nuestro viaje hacia la sostenibilidad
A través de esfuerzos colectivos, debemos asegurarnos de que estamos dando los pasos correctos hacia un futuro repleto de bioplásticos, que son plásticos biodegradables o materiales de base biológica, que obtienen energía de recursos renovables. Estos bioplásticos, en términos de durabilidad y usabilidad, no serían menos que los plásticos convencionales. Podrían procesarse mediante máquinas de plástico convencionales y conservarse en almacenes tradicionales, eliminando efectivamente el alcance de la redundancia de recursos.
La falta de una alternativa viable a la amenaza de los residuos plásticos se traduciría en graves peligros para varios países del mundo. El Sudeste Asiático, por ejemplo, ya se ha convertido en un foco de contaminación plástica, una situación agravada por la rápida urbanización y el auge de la clase media. Agravado aún más por la falta de infraestructuras eficientes, esto ha resultado en una baja eficiencia de los plásticos reciclables.
Este problema de mala gestión de los residuos se ha agravado aún más durante la temporada de COVID debido al consumo de mascarillas, botellas de desinfectante y envases de entrega online. Según datos presentados por el Banco Mundial, en países como Tailandia, Filipinas y Malasia, más del 75% del valor material del plástico reciclable se pierde: el equivalente a 6 millones de dólares al año cuando el plástico de un solo uso se desecha en lugar de recuperarse. y reciclado.
A la luz de esta mala gestión de los residuos y de la insuficiencia de la infraestructura, los bioplásticos emergen como la alternativa más eficaz e independiente de tales malas prácticas. Además, los bioplásticos ayudan en nuestros esfuerzos de sostenibilidad, ya que dependen menos de los combustibles fósiles convencionales. El uso de plásticos biodegradables también significa mejores escenarios de final de vida útil para su eliminación y reciclaje.
Sin embargo, la proporción de bioplásticos sigue siendo mucho menor de lo que debería ser para que nuestro futuro dependa totalmente de medios sostenibles. Según una estimación, de los 367 millones de toneladas de plástico que se producen cada año en el mundo, la proporción de bioplásticos sigue siendo inferior al uno por ciento. Sin embargo, se espera que experimente un crecimiento significativo en los próximos años en una variedad de campos de aplicación, incluidos embalajes, bienes de consumo, edificación y construcción, automoción y transporte, textiles, agricultura y horticultura, electricidad y electrónica, revestimientos y adhesivos, y más. .
Las tecnologías de vanguardia respaldadas por la investigación, como la fotosíntesis artificial y la producción sostenible de componentes plásticos impulsados por fuentes de energía renovables, tendrán un impacto significativo en las formas de abordar el plástico. Estos procesos no solo significarán mejores plásticos respetuosos con el medio ambiente, sino también un ecosistema de producción sostenible y casi libre de emisiones.
