Keinotekoinen fotosynteesi ja biohajoavuus: Muovikriisin torjuminen kestävän kehityksen mielessä

CO2-päästöt ja ei-biohajoavien muovien läsnäolo maapallolla ovat molemmat vaaroja, jotka aiheuttavat peruuttamatonta vahinkoa. Merkittävästi hiilidioksidi, lämpöä sitova kaasu, lämmittää planeettaa ja lopulta johtaa ilmastonmuutokseen. 

Tämä lämpenemisefekti korostuu NASA:n arvioissa, jotka osoittavat, että ihmistoiminta on nostanut ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta 50 % alle 200 vuodessa. Tilannetta pahentavat lisäksi ei-biohajoavat muovit, jotka valmistetaan esimerkiksi styroksista, kertakäyttöisistä muovipusseista ja muovipulloista; ne muodostavat vakavan uhan, sillä ne saastuttavat pohjavesiä, ruokaketjua ja ilmakehää. 

Vastaten näitä toisiinsa kietoutuneita haasteita, Osaka Metropolitan Universityn tutkijat ovat kehittäneet läpimurron, joka käsittelee molempia haasteita yhdellä reitillä. He ovat kehittäneet innovatiivisen ja tehokkaan tavan tuottaa fumarihappoa, mikä vähentää hiilidioksidipäästöjä ja hyödyntää jätettä biohajoavien muovien valmistukseen. Tarkastellaan tarkemmin, mitä tämä innovaatio tarkoittaa ja miten se toimii.

Klikkaa tästä oppiaksesi, onko ennaltaehkäisy vai hoito parempi tapa torjua ilmakehän CO2.

Kestävä fumarihapon tuotanto

Fumarihappo on biohajoavien muovien komponentti. Se on perinteisesti peräisin öljystä, hiilidioksidista ja biomassasta johdetuista yhdisteistä. Nyt tutkijat ovat kehittäneet ratkaisun, jonka avulla fumarihappoa voidaan tuottaa kestävästi ja tehokkaasti. Tähän päämäärään on tehty kaksi tutkimusta. 

Ensimmäisessä tutkimuksessa Osaka Metropolitan Universityn (OMU) Keinotekoinen fotosynteesi -tutkimuskeskuksen professori Yutaka Amaon johtama tiimi esitteli tavat syntetisoida fumarihappoa bikarbonaatista ja biomassasta johdetusta pyruvahaposta. Prosessissa käytetty energia oli uusiutuvaa aurinkoenergiaa. 

Tutkijat onnistuivat myös tuottamaan fumarihappoa hiilidioksidista, joka toimi raaka-aineena suoraan kaasuvaiheesta. Kokeessa oli kuitenkin yksi rajoitus: se ei pystynyt tuottamaan merkittävää määrää fumarihappoa. Tuotanto pysyi alhaisena. 

Seuraavassa tutkimuksessa tutkijat ylittivät haasteen. He kehittivät uuden valosensitisaattorin ja edistivät keinoälyfotosynteesiä, mikä kaksinkertaisti fumarihapon saannon perinteisiin menetelmiin verrattuna. 

Tutkijat kehittivät tehokkaan tavan tuottaa näkyvän valon ohjaamaa fumarattia kaasumaasta CO2:sta ja pyruvaatista käyttäen järjestelmää, joka koostuu trietanoliamiinista, kationisesta vesiliukoisesta sinkkipurfiinista, sinkki-tetrakis(4-N,N,N-trimetyylianfenyyli)purfiinista, pentametyylikyklopentadieenilikkoisesta rhodium(III) 2,2′-bipyriidikompleksista, NAD+:sta, malaatidehydrogenaasista (NAD+-riippuvainen oksaloasetaatti-dekarboksyloiva) ja fumaraasista. 

Tutkimus, jonka otsikko on “Tehokas näkyvän valon ohjaama fumaratin tuotanto kaasumaasta CO2:sta ja pyruvaatista kationiseen sinkkipurfiinipohjaiseen fotokatalyyttiseen järjestelmään kaksinkertaisilla biokatalyytillä”, sai tukea Osaka Fermentaatiolaitokselta. 

Kaiken kaikkiaan tutkimus on empiirisesti osoittanut, että on mahdollista valmistaa kehittynyt keinotekoinen fotosynteesikatalyytti, joka käyttää hiilidioksidia tehokkaammin biohajoavien muovien tuotannossa. 

Jos kuitenkin pohdimme tarkemmin, miksi keinotekoinen fotosynteesi ja sen panos kestävien ja tehokkaiden biohajoavien muovien tuotannossa nähdään läpimurtona, huomaamme, että muovit ovat olleet uhka, ja kaikki pyrkimykset tehdä niistä kestävästi tuotettuja ja biohajoavia tulisi arvostaa ja kannustaa. 

Yksi vakavimmista muoveihin liittyvistä vahingoista maapallolla johtuu mikromuoveista. Yhdysvaltain kansallinen merentutkimus- ja ilmakehävirasto (NOAA) määrittelee mikromuovit pieniksi muovikappaleiksi, jotka ovat alle viisi millimetriä pitkiä ja aiheuttavat haittaa terveydellemme, merelle ja vesielämälle. Luokkaan sisältyvät myös tarkoituksellisesti pieniksi suunnitellut muovit. Mikrohelmukkeina tunnetut näitä käytetään monissa terveys- ja kauneustuotteissa. Nämä mikromuovit aiheuttavat useita haitallisia vaikutuksia.

Mikromuovit pääsevät kehoomme erilaisilla reiteillä, kuten juomaveden, kuluttamamme ruoan ja käyttämämme ruokakonttien kautta, jotka kaikki ovat suun kautta tapahtuvan mikromuovien saannin kanavia. Lisäksi hengitämme mikromuoveja ilmasta, ja henkilökohtaiset hygieniatuotteemme sekä matkapuhelimen kotelot, jotka sisältävät mikromuoveja, tarjoavat mahdollisuuden niiden kosketukseen kanssamme.

Kun mikromuovit pääsevät ihmisen kehoon, ne voivat aiheuttaa monia terveysongelmia. Niiden tiedetään aiheuttavan oksidatiivista stressiä ja DNA-vaurioita, johtavan aineenvaihdunnan häiriöihin sekä aiheuttavan toimintahäiriöitä elintärkeissä elimissä, kuten maksassa, suolistossa, aivoissa ja hengitysteissä. Lisäksi mikromuovien toksisuus voi vahingoittaa lisääntymis- ja kehityskykyämme, mikä korostaa niiden vakavaa vaikutusta ihmisten terveyteen.

Mikromuovien ongelma ulottuu ihmisten terveyden ulkopuolelle, sillä nämä hiukkaset vahingoittavat myös merielämää. Ne aiheuttavat toksisen vaikutuksen kaloille ja muille vesieläimille, estäen niiden kasvua ja kehitystä, lisäten kuolleisuutta, aiheuttaen tulehduksia, hidastaen uintinopeutta, vähentäen elinvoimaa ja ruumiinpituutta sekä aiheuttaen suoliston vaurioita. Tämä todistus korostaa kiireellistä tarvetta puuttua mikromuovien saastuttamiseen ja pysäyttää niiden aiheuttama ympäristön saastuminen.

Tämän valossa äskettäiset sukellustutkimukset ovat korostaneet kiireellistä tarvetta innovatiivisille jätteiden keräysratkaisuille. Esimerkiksi Desert Research Institute -tutkijoiden toteuttama uraauurtava tutkimus Lake Tahon järven pohjassa paljasti huolestuttavan keskiarvon, 83 muovijätteiden kappaletta kilometriä kohden, eikä yhtäkään järvenpohjan pätkää löydetty ilman muovijätettä. Yleisimpiä löydettyjä esineitä olivat ruokakontit, pullot, muovipussit ja lelut, ja kuusi yleisintä muovityyppiä olivat polyvinyylikloridi (PVC), styroksi, polyesteri/polyeteenitereftalaatti, polyeteeni, polypropeeni ja polyamidi.

Vaikka markkinoilla on useita ratkaisuntarjoajia, jotka tarjoavat toimivia vaihtoehtoja vedenalaisen muovin puhdistamiseen, tutkijat ovat myös kiinnostuneita arvioimaan ‘kestävyysmittarin‘ potentiaalia muovisaasteen hillitsemiseksi. Woods Hole Oceanographic Institutionin tutkijat kehittivät kestävyyden mittarin, jonka tarkoituksena on ekologinen suunnittelu muovituotteille, joilla on alhainen pysyvyys ympäristössä. Tutkijat uskovat, että tämä mittari voi tuottaa ympäristö- ja yhteiskunnallisia hyötyjä. 

Tutkimus esitti innovatiivisen ja kekseliään tavan torjua muovisaasteen uhkaa. Lähestymistapa voidaan nähdä jossain määrin samankaltaisena kuin sosiaalisen vaikutuksen kirjanpitoharjoitukset, joihin olemme tottuneet. Se vertasi indeksejä muovien ympäristövaikutuksista sekä niiden korvaavien tuotteiden vaikutuksista, mikä osoitti, että muovien ympäristön pysyvyyden huomioiminen ja niiden tehokas korvaaminen voisi tuottaa satojen miljoonien eurojen säästöjä yhdelle kuluttajatuotteelle. 

Selittäessään tutkimuksen merkitystä, tutkimuksen pääkirjoittaja, materiaalitieteilijä ja insinööri Bryan James, sanoi:

“Tärkeää on määrittää, miten voimme suunnitella toimivia, kestäviä ja harmittomia materiaaleja, tuotteita ja prosesseja, jotka omaksuvat kaikki vihreän materiaalisuunnittelun periaatteet tulevaisuuden maailmassa, jossa elämme.”

Kaiken kaikkiaan biohajoavien muovien valmistaminen ja sopivien korvaavien vaihtoehtojen löytäminen on pitänyt tieteellistä ja teknologista yhteisöä kiireisenä. Alalla toimii monia yrityksiä, sekä suuria että pieniä, jotka työskentelevät aktiivisesti tämän parissa.  

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group on ollut aktiivinen toimija tällä alalla jo pitkään. Japanin Keinotekoinen fotosynteettinen kemiallinen prosessitutkimus (ARPChem) -yhdistyksen jäsenenä, joka perustettiin lokakuussa 2012, Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) osallistui New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) -järjestön toteuttamaan Keinotekoinen fotosynteesi -projektiin. Siitä lähtien Mitsubishi on pyrkinyt parantamaan prosessin tehokkuutta ja optimointia. 

Alkuperäinen tutkimus koski kestävää fumarihapon tuotantoa, joka oli keskustelumme aloitus. Kuitenkin Mitsubishi Chemical Groupin pyrkimykset kohdistuvat olefiinin tuotantoon. 

Tässä prosessissa synteettinen katalyytti näyttelee keskeistä roolia mahdollistamalla reaktion erotetun vedyn ja hiilidioksidin välillä. Mitsubishi’n innovatiivinen työ sopivan katalyytin kehittämisessä ja tarvittavien prosessiteknologioiden hiominen on merkittävästi parantanut saantoa, tehden olefiinin tuotannosta tehokkaampaa. 

Tämän seurauksena olefiinista on tullut tehokkaasti tuotettu raaka-aine muovien valmistukseen, mikä osoittaa Mitsubishi’n panoksen kestävien valmistuskäytäntöjen edistämisessä kemianteollisuudessa. 

NEDO:n toteuttama Green Innovation Project valitsi Mitsubishi’n kaupallisen kehityksen keinotekoisen fotosynteesin pohjalta tapahtuvaan kemiallisten raaka-aineiden tuotantoon rahoitukseksi helmikuussa 2022. 

Kehityksen myöhemmissä vaiheissa prosessi muuntaa öljypohjaiset raaka-aineet ja auttaa kehittämään muovintuotantoteknologiaa hyödyntäen hiilidioksidia käyttämällä öljykemian valmistusteknologiaa, katalyyttiteknologiaa ja muita kehittämiään teknologioita yhteistyössä yliopistojen ja tutkimuslaitosten kanssa. 

The Mitsubishi Corporation julkaisi yhdistetyn raportin tilikaudelle, joka päättyi 31. maaliskuuta 2023. Yritys ansaitsi yli 159 miljardia Yhdysvaltain dollaria.

#2. Evonik and Siemens

Teknistä fotosynteesiä kutsutussa prosessissa kaksi yritystä, Evonik ja Siemens, käyttävät uusiutuvaa energiaa ja bakteereja muuntaakseen hiilidioksidia erikoiskemikaaleiksi. Yritykset toteuttavat tätä tehtävää yhteisen Rheticus-tutkimusprojektin alla. Ensimmäisessä vaiheessa tuotettiin kemikaaleja, kuten butanolia ja heksanolia, jotka ovat molemmat erityisten muovien ja ravintolisien raaka-aineita. 

Evonik’n strategisen tutkimusosaston Creavis:n projektivastaava tohtori Thomas Haas sanoi: 

“Rheticus-alustan avulla haluamme osoittaa, että keinotekoinen fotosynteesi on toteuttamiskelpoinen.”

Tämän väitteen toteuttamiseksi Evonik ja Siemens osallistuvat omien ydinosaamisalueidensa mukaisesti. Esimerkiksi Siemens vahvistaa prosessia elektrolyysiteknologialla, jota käytetään ensimmäisessä vaiheessa hiilidioksidin ja veden muuntamiseen vedeksi ja hiilimonoksidiksi sähköä hyödyntäen. 

Evonik’n panostukset on suunnattu fermentaatioprosessin vahvistamiseen, jossa hiilimonoksidia sisältävät kaasut muunnetaan hyödyllisiksi tuotteiksi erityisten mikro-organismien mahdollistamien aineenvaihduntaprosessien avulla. 

Käsitellessään sen potentiaalia auttaa muovi- ja erikoiskemianteollisuutta, tohtori Haas totesi:

“Sen modulaarinen luonne ja joustavuus sijainnin, raaka-aineiden lähteiden ja valmistettavien tuotteiden suhteen tekevät uudesta alustasta erityisen houkuttelevan erikoiskemianteollisuudelle. Olemme varmoja, että muut yritykset käyttävät alustaa ja integroitavat sen omiin moduuleihinsa valmistaa kemiallisia tuotteitaan.”

Viimeisimpien saatavilla olevien vuosikertomusten mukaan Evonik Groupin liikevaihto oli lähes 18,5 miljardia euroa vuonna 2022. Tästä liikevaihdosta erikoislisäaineet ja ravinto‑ ja hoitotuotteet muodostivat kummankin 23 %, älymateriaalien osuus oli 26 %, suoritusmateriaaleista 20 % ja teknologia‑ ja infrastruktuurituotteet ja -palvelut 8 %.

Vuodelle fiscal year 2023 Siemens kirjasi vuotuisen liikevaihdon lähes 22 miljardia euroa, mikä on merkittävä nousu 19,5 miljardiin euroon, joka kirjattiin tilikaudella 2022.

Muovit ja matkamme kohti kestävyyttä

Yhteisten ponnistelujen avulla meidän on varmistettava, että otamme oikeita askeleita kohti tulevaisuutta, jossa biohajotettavat muovit – joko biohajoavat muovit tai biopohjaiset materiaalit – saavat energiansa uusiutuvista lähteistä. Nämä biohajotettavat muovit kestävyyden ja käyttökelpoisuuden osalta eivät ole heikompia kuin perinteiset muovit. Ne voidaan käsitellä tavallisilla muovikoneilla ja varastoida perinteisissä varastoissa, poistaen näin resurssien redundanssin mahdollisuuden.

Jos ei löydetä toimivaa vaihtoehtoa muovijätteen uhkalle, seuraukset ovat vakavia monille maille ympäri maailmaa. Kaakkois-Aasia on esimerkiksi jo muodostunut muovisaasteen ‘hot spot’ -alueeksi, tilannetta pahentavat nopea urbanisaatio ja kasvava keskiluokka. Tehokkaan infrastruktuurin puute on lisäksi heikentänyt kierrätettävien muovien tehokkuutta.

Jätteiden huono hallinta on pahentunut COVID-ajan aikana maskujen, desinfiointipullojen ja verkkokauppojen toimituspakkausten kulutuksen vuoksi. Maailmanpankin esittämien tietojen mukaan Thaimaassa, Filippiineillä ja Malaysiassa yli 75 % kierrätettävien muovien materiaaliarvosta menetetään – mikä vastaa 6 miljardia dollaria vuodessa, kun kertakäyttömuovit heitetään pois sen sijaan, että ne kerättäisiin ja kierrätettäisiin.

Tämän jätteiden hallinnan puutteen ja infrastruktuurin riittämättömyyden valossa biohajotettavat muovit nousevat tehokkaimmaksi vaihtoehdoksi, joka on riippumaton tällaisista hallintapuutteista. Lisäksi biohajotettavat muovit tukevat kestävän kehityksen pyrkimyksiä, koska ne riippuvat vähemmän perinteisistä fossiilisista polttoaineista. Biohajotettavien muovien käyttö tarkoittaa myös parempia elinkaaren loppuvaiheita hävittämisessä ja kierrättämisessä.

Kuitenkin biohajotettavien muovien osuus on edelleen paljon pienempi kuin sen tulisi olla, jotta tulevaisuus olisi täysin riippuvainen kestävästä tuotannosta. Yhden arvion mukaan maailmanlaajuisesti vuosittain tuotettavien 367 miljoonan tonnin muovin osuus biohajotettavista on edelleen alle yksi prosentti. Odotetaan kuitenkin merkittävää kasvua tulevina vuosina eri sovellusalueilla, kuten pakkaus, kuluttajatuotteet, rakennus- ja rakentaminen, auto- ja kuljetusteollisuus, tekstiilit, maatalous ja puutarhanhoito, sähkö- ja elektroniikka, pinnoitteet ja liimat sekä muut.

Huipputason, tutkimukseen perustuvat teknologiat, kuten keinotekoinen fotosynteesi ja uusiutuvilla energialähteillä tuotettu muovikomponenttien kestävä tuotanto, vaikuttavat merkittävästi tapoihin käsitellä muoveja. Nämä prosessit eivät ainoastaan johda ympäristöystävällisempiin muoveihin, vaan myös kestävään ja lähes päästöttömään tuotantoympäristöön.