Kunstmatige fotosynthese en biologisch afbreekbaarheid: de plasticplaag bestrijden met duurzaamheid in gedachten

CO2-uitstoot en de aanwezigheid van niet-biologisch afbreekbare kunststoffen op aarde vormen beide gevaren die onomkeerbare schade veroorzaken. Belangrijk is dat kooldioxide, als een warmte‑vasthoudend gas, de planeet opwarmt en uiteindelijk leidt tot klimaatverandering.

Dit opwarmings effect wordt onderstreept door de schattingen van NASA, die aantonen dat menselijke activiteiten de kooldioxideconcentratie in de atmosfeer met 50% hebben verhoogd in minder dan 200 jaar. Een verdere verslechtering van de situatie zijn niet-biologisch afbreekbare kunststoffen afkomstig van materialen zoals piepschuim, wegwerplastieken zakken en plastic waterflessen, die een andere ernstige bedreiging vormen doordat ze het grondwater, de voedselketen vervuilen en de lucht vervuilen.

Door deze onderling verweven uitdagingen aan te pakken, hebben onderzoekers van de Osaka Metropolitan University nu een doorbraak ontwikkeld die beide problemen via één route aanpakt. Ze hebben een innovatieve en efficiënte methode ontwikkeld om fumaarzuur te produceren, waarmee de CO2‑uitstoot wordt verlaagd en afval wordt hergebruikt om biologisch afbreekbare kunststoffen te maken. Laten we dieper ingaan op wat deze innovatie betekent en hoe deze werkt.

Klik hier om te leren of preventie of behandeling beter is voor het aanpakken van atmosferische CO2.

Duurzame productie van fumaarzuur

Fumaarzuur is een component van biologisch afbreekbare kunststoffen. Het wordt traditioneel gewonnen uit petroleum, kooldioxide en biomassa‑afgeleide verbindingen. Nu hebben de onderzoekers een oplossing bedacht waarbij fumaarzuur duurzaam en efficiënt kan worden geproduceerd. Er zijn twee onderzoeken uitgevoerd met hetzelfde einddoel. 

In het eerste onderzoek liet een onderzoeksteam onder leiding van professor Yutaka Amao van het Research Center for Artificial Photosynthesis aan de Osaka Metropolitan University (OMU) zien hoe fumaarzuur kan worden gesynthetiseerd uit bicarbonaat en biomassa‑afgeleid pyruvinezuur. De energie die in het proces werd gebruikt, was hernieuwbare zonne‑energie. 

De wetenschappers behaalden ook succes bij het produceren van fumaarzuur met kooldioxide als grondstof, rechtstreeks afkomstig uit de gasfase. Het experiment kende echter een beperking: het kon geen aanzienlijke hoeveelheid fumaarzuur produceren. De productie bleef laag. 

In het daaropvolgende onderzoek overwonnen de wetenschappers de uitdaging. Ze ontwikkelden een nieuwe fotosensitizer en boekten vooruitgang in kunstmatige fotosynthese die de opbrengst van fumaarzuur in vergelijking met traditionele methoden kon verdubbelen. 

De wetenschappers ontwikkelden een effectieve methode om zichtbaar‑licht‑aangedreven fumarine te produceren uit gasvormige CO2 en pyruvaat, met een systeem dat bestaat uit triethanolamine, kationisch wateroplosbaar zink‑porfyrine, zink‑tetrakis(4‑N,N,N‑trimethylaminophenyl)porfyrine, pentamethylcyclopentadiëen‑gecoördineerde rhodium(III) 2,2′‑bipyridyl‑complex, NAD+, malaatdehydrogenase (NAD+-afhankelijke oxaloacetaat‑decarboxylerende) en fumarase. 

Het onderzoek, getiteld “Een effectieve zichtbaar‑licht‑aangedreven productie van fumarine uit gasvormige CO2 en pyruvaat door het kationisch zink‑porfyrine‑gebaseerde fotokatalytische systeem met dubbele biokatalysatoren,” werd ondersteund door het Institute of Fermentation in Osaka. 

Al met al heeft het onderzoek empirisch aangetoond dat het mogelijk is om een geavanceerde kunstmatige fotosynthese‑katalysator te vervaardigen die kooldioxide efficiënter kan gebruiken bij de productie van biologisch afbreekbare kunststoffen. 

Maar als we dieper nadenken en proberen te beoordelen waarom kunstmatige fotosynthese en de bijdrage ervan aan het duurzaam en efficiënt produceren van biologisch afbreekbare kunststoffen als een doorbraak wordt gezien, zien we dat kunststoffen een plaag zijn geweest, en elke inspanning om ze duurzaam geproduceerd biologisch afbreekbaar te maken, moet worden gewaardeerd en aangemoedigd. 

Een van de ernstigste plasticgerelateerde schade op planeet Aarde wordt veroorzaakt door microplastics. De United States National Oceanic and Atmospheric Administration definieert microplastics als kleine plastic stukjes die kleiner zijn dan vijf millimeter en schade veroorzaken aan onze gezondheid, oceaan en het aquatische leven. De categorie omvat ook kunststoffen die opzettelijk klein zijn ontworpen. Microbeads, zoals ze worden genoemd, worden gebruikt in veel gezondheids‑ en schoonheidsproducten. Deze microplastics hebben verschillende schadelijke gevolgen.

Microplastics komen ons lichaam binnen via verschillende routes, waaronder het water dat we drinken, het voedsel dat we consumeren en de voedselverpakkingen die we gebruiken, die allemaal wegen zijn voor orale inname van microplastics. Daarnaast inhaleren we microplastics via de lucht, en onze persoonlijke verzorgingsproducten en telefoonhoesjes, die microplastics bevatten, bieden mogelijkheden voor direct contact.

Eenmaal in het menselijk lichaam kunnen deze microplastics een reeks gezondheidsproblemen veroorzaken. Ze staan bekend om oxidatieve stress en DNA‑schade te induceren, metabole stoornissen te veroorzaken en disfuncties in vitale organen zoals lever, darmen, hersenen en luchtwegen te veroorzaken. Bovendien kan de toxiciteit van microplastics onze voortplantings‑ en ontwikkelingscapaciteit aantasten, wat de ernst van hun impact op de menselijke gezondheid onderstreept.

Het probleem van microplastics reikt verder dan de menselijke gezondheid, aangezien deze deeltjes ook het mariene leven schaden. Ze hebben een toxisch effect op vissen en andere aquatische organismen, remmen hun groei en ontwikkeling, verhogen sterftecijfers, veroorzaken ontstekingen, verlagen de zwemsnelheid, verminderen vitaliteit en lichaamslengte, en veroorzaken darmletsels. Dit bewijs onderstreept de dringende noodzaak om de vervuiling van ons milieu met microplastics aan te pakken en te stoppen.

In het licht hiervan hebben recente onderwater duikonderzoeken de dringende behoefte aan innovatieve afvalinzamelingsoplossingen benadrukt. Een baanbrekend onderzoek uitgevoerd door onderzoekers van het Desert Research Institute op de bodem van Lake Tahoe toonde een alarmerend gemiddelde van 83 plastic voorwerpen per kilometer, waarbij geen enkel stuk van de bodem vrij was van plastic afval. Veelvoorkomende items waren voedselverpakkingen, flessen, plastic zakken en speelgoed, waarbij de zes meest voorkomende soorten plastic polyvinylchloride (PVC), polystyreen, polyester/polyethyleentereftalaat, polyethyleen, polypropyleen en polyamide waren.

Hoewel er verschillende aanbieders van oplossingen zijn die levensvatbare alternatieven bieden om onderwater plastic te reinigen, zijn onderzoekers ook geïnteresseerd in het beoordelen van het potentieel van een ‘duurzaamheidsmetriek’ om plasticvervuiling te beperken. De onderzoekers van het Woods Hole Oceanographic Institution ontwikkelden een duurzaamheidsmetriek voor het ecologisch ontwerp van plasticproducten die een lage persistentie in het milieu hebben. De onderzoekers geloofden dat deze metriek milieu‑ en maatschappelijke voordelen kon opleveren.

De studie toonde een innovatieve en inventieve manier om de plaag van plasticvervuiling aan te pakken. De benadering kan enigszins worden vergeleken met de sociaal‑impact‑boekhoudkundige oefeningen die we kennen. Het vergeleek indexen voor de milieueffecten van plastic en hun substituten, en toonde aan dat het in rekening brengen van de milieupersistentie van plastic en het efficiënt vervangen ervan winsten van honderden miljoenen dollars voor een enkel consumentenproduct kan opleveren.

Terwijl hij de betekenis van de studie uitlegt, zei de hoofd auteur van de studie, Bryan James, een materiaalkundige en ingenieur:

“Wat belangrijk is om te bepalen, is hoe we functionele, duurzame en onschadelijke materialen, producten en processen kunnen ontwerpen die alle principes van groene materiaalkunde belichamen in de toekomstige wereld waarin we zullen leven.”

Over het geheel genomen houden het maken van voldoende biologisch afbreekbare kunststoffen en het identificeren van geschikte alternatieven de wetenschappelijke en technologische gemeenschap bezig. Er zijn veel bedrijven, groot en klein, die actief in dit gebied werken.  

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group is al geruime tijd een actieve deelnemer in dit gebied. Als lid van de Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), opgericht in oktober 2012, nam Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) deel aan een kunstmatige fotosynthese‑project uitgevoerd door de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Sindsdien heeft Mitsubishi de grenzen verlegd om meer efficiëntie en optimalisatie van het proces te bereiken. 

Het ging in het onderzoek dat we als opening van onze discussie hadden over het duurzaam produceren van fumaarzuur. De inspanningen van Mitsubishi Chemical Group zijn echter gericht op de productie van olefine. 

In dit proces speelt een synthetische katalysator een cruciale rol door de reactie tussen gescheiden waterstof en kooldioxide mogelijk te maken. Mitsubishi’s innovatieve werk bij het ontwikkelen van een geschikte katalysator en het verfijnen van de benodigde procestechnologieën heeft de opbrengst aanzienlijk verhoogd, waardoor de productie van olefine efficiënter wordt. 

Als gevolg hiervan is olefine een effectief geproduceerd grondstof geworden voor het maken van kunststoffen, wat Mitsubishi’s bijdrage aan de vooruitgang van duurzame productiepraktijken in de chemische industrie laat zien. 

Het Green Innovation Project, uitgevoerd door NEDO, selecteerde de commerciële ontwikkeling door Mitsubishi van kunstmatige fotosynthese‑gebaseerde productie van chemische grondstoffen voor financiering in februari 2022. 

In latere ontwikkelingsfasen zal het proces ruwe materialen uit petroleum omzetten en helpen bij de ontwikkeling van plasticproductietechnologie die gebruikmaakt van kooldioxide, door gebruik te maken van petrochemische productietechnologie, katalysatorontwikkelings‑technologie en andere technologieën die het heeft ontwikkeld in samenwerking met universiteiten en onderzoeksinstituten. 

De Mitsubishi Corporation publiceerde een geïntegreerd rapport voor het fiscale jaar eindigend op 31 maart 2023. Het bedrijf verdiende meer dan US$159 miljard.

#2. Evonik and Siemens

In wat technische fotosynthese wordt genoemd, gebruiken twee bedrijven, Evonik en Siemens, hernieuwbare energie en bacteriën om kooldioxide om te zetten in speciale chemicaliën. De bedrijven voeren deze taak uit binnen een gezamenlijk onderzoeksproject genaamd Rheticus. De eerste fase van het onderzoek zag de productie van chemicaliën zoals butanol en hexanol, die beide grondstoffen zijn voor speciale kunststoffen en voedingssupplementen. 

Volgens Dr. Thomas Haas, verantwoordelijk voor het project in Evonik’s strategische onderzoekafdeling Creavis: 

“Met het Rheticus‑platform willen we aantonen dat kunstmatige fotosynthese haalbaar is.”

Om deze bewering werkelijkheid te maken, dragen zowel Evonik als Siemens bij volgens hun kerncompetenties. Siemens bijvoorbeeld versterkt het proces met elektrolysetechnologie, die in de eerste stap wordt gebruikt om kooldioxide en water om te zetten in waterstof en koolmonoxide met behulp van elektriciteit. 

De bijdragen van Evonik zijn gericht op het versterken van het fermentatieproces, waarbij gassen die koolmonoxide bevatten worden omgezet in nuttige producten door metabole processen die worden gefaciliteerd door speciale micro‑organismen. 

Terwijl hij de potentie toelichtte om de plastic‑ en speciale chemische industrie te helpen, zei Dr. Haas: 

“De modulaire aard en flexibiliteit qua locatie, grondstofbronnen en geproduceerde producten maken het nieuwe platform bijzonder aantrekkelijk voor de speciale chemische industrie. We zijn ervan overtuigd dat andere bedrijven het platform zullen gebruiken en het zullen integreren met hun eigen modules om hun chemische producten te vervaardigen.”

Volgens de laatst beschikbare jaarcijfers registreerde de Evonik Group een omzet van bijna 18,5 miljard euro in 2022. Van deze omzet droegen specialty additives en nutrition & care elk 23% bij. De omzet uit smart materials bedroeg 26% van de omzet, terwijl performance materials 20% bijdroegen, en technologie‑ en infrastructuurproducten en -diensten 8%. 

In het fiscale jaar 2023 noteerde Siemens een jaarlijkse omzet van bijna 22 miljoen euro, een aanzienlijke stijging ten opzichte van de 19,5 miljard euro die in FY 2022 werd geregistreerd. 

Kunststoffen en onze reis naar duurzaamheid

Door gezamenlijke inspanningen moeten we ervoor zorgen dat we de juiste stappen zetten naar een toekomst vol bioplastics, die ofwel biologisch afbreekbare kunststoffen of biogebaseerde materialen zijn, en energie halen uit hernieuwbare bronnen. Deze bioplastics zijn qua duurzaamheid en bruikbaarheid niet minder dan conventionele kunststoffen. Ze kunnen worden verwerkt met conventionele plasticmachines en opgeslagen in traditionele magazijnen, waardoor de kans op resource‑redundantie effectief wordt weggenomen.

Het niet vinden van een levensvatbaar alternatief voor de plaag van plasticafval zou leiden tot ernstige gevaren voor verschillende landen wereldwijd. Zuidoost-Azië is bijvoorbeeld al een ‘hotspot’ geworden voor plasticvervuiling, een situatie die wordt verergerd door snelle verstedelijking en een groeiende middenklasse. Daarnaast, door het gebrek aan efficiënte infrastructuur, heeft dit geresulteerd in een lage efficiëntie voor recyclebare kunststoffen.

Dit probleem van afvalmismanagement is tijdens de COVID‑periode verder verergerd door het gebruik van maskers, desinfectiemiddelflessen en online leveringsverpakkingen. Volgens gegevens van de Wereldbank gaat in landen als Thailand, de Filipijnen en Maleisië meer dan 75 % van de materiaalwaarde van recyclebaar plastic verloren – gelijk aan $6 miljard per jaar wanneer wegwerpplastic wordt weggegooid in plaats van teruggewonnen en gerecycled.

Gezien dit afvalmismanagement en de ontoereikende infrastructuur, komen bioplastics naar voren als het meest effectieve alternatief dat onafhankelijk is van dergelijke fouten. Bovendien ondersteunen bioplastics onze duurzaamheidsinspanningen omdat ze minder afhankelijk zijn van conventionele fossiele brandstoffen. Het gebruik van biologisch afbreekbare kunststoffen betekent ook verbeterde eind‑levensscenario’s voor verwijdering en recycling.

Toch is het aandeel bioplastics nog veel lager dan wat zou moeten zijn voor een toekomst die volledig afhankelijk is van duurzame middelen. Volgens een schatting is van de 367 miljoen ton plastic die jaarlijks wereldwijd wordt geproduceerd, het aandeel bioplastics nog minder dan één procent. Er wordt echter verwacht dat het de komende jaren aanzienlijk zal groeien in diverse toepassingsgebieden, waaronder verpakkingen, consumentenproducten, bouw en constructie, automotive en transport, textiel, landbouw en tuinbouw, elektrische en elektronische sector, coatings en lijmen, en meer.

Geavanceerde, door onderzoek onderbouwde technologieën, zoals kunstmatige fotosynthese en duurzame productie van plasticcomponenten aangedreven door hernieuwbare energiebronnen, zullen een significante impact hebben op de manier waarop we met plastic omgaan. Deze processen zullen niet alleen zorgen voor milieuvriendelijkere kunststoffen, maar ook voor een productiesysteem dat duurzaam en bijna emissievrij is.