Milieuvriendelijke alternatieven voor plastics zijn cruciaal voor duurzaamheidsinspanningen: Zijn biologisch afbreekbare plastics een oplossing?

De aanwezigheid en accumulatie van microplastics in ons ecosysteem zijn goed gedocumenteerd, en recente bewijzen suggereren dat ze schadelijke effecten hebben op verschillende biologische processen. Terwijl we blijven ontdekken dat microplastics in onze longen, slagaders en zelfs placenta’s voorkomen, leren we nog steeds over hun impact op het milieu en de menselijke gezondheid. 

Het is de alomtegenwoordigheid van plasticgebruik door mensen dat heeft geleid tot microplastics, die de neiging hebben om in het milieu te blijven bestaan. Microplastics zijn kleine fragmenten, meestal tussen 5 millimeter (mm) en 500 micrometer (µm) in grootte, afgekeurd door alledaagse plastic producten. 

Deze deeltjes kwamen van flessen, tassen, verpakkingen en andere plastic bronnen, evenals bandenslijtage, synthetische textiel en microbeads uit persoonlijke verzorgingsproducten. Microplastics worden meestal gevormd door een verscheidenheid aan fysieke en chemische processen, waaronder afslijting, UV-afbraak, productieprocessen en fysieke of chemisch geïnduceerde fragmentatie.

De accumulatie van microplastics in de natuurlijke omgeving, waaronder oceanen, neerslag en bodem, is te wijten aan de chemische aard van op aardolie gebaseerde plastic polymeren. Deze polymeren zijn grote moleculen die bestaan uit veel kleinere moleculen, genaamd monomeren. Deze veel gebruikte plastics zijn meestal ontoegankelijk voor biologische verwerking. 

Aangezien ze bijna onverwoestbaar zijn en tientallen jaren tot eeuwen duren om af te breken, is er een groeiende behoefte aan een alternatief voor traditionele op aardolie gebaseerde plastics en microplastics. Een antwoord op deze oplossing is om plastics te ontwikkelen die geen persistente microplastics genereren als onderdeel van hun normale levenscyclus. 

Zelfs als plastic goed wordt verzameld en gerecycled, genereert het nog steeds microplastics als onderdeel van normale slijtage door dagelijks gebruik of als gevolg van recyclage- of wasprocessen. Om dit te voorkomen, moeten we nieuwe plastic materialen ontwikkelen die volledig biologisch afbreekbaar zijn, wat betekent dat ze snel afbreken door de werking van levende organismen in het milieu.

Om hierbij te helpen, een nieuwe studie van Algenesis Corporation en wetenschappers en professoren aan de University of California San Diego creëerde een op planten gebaseerde polymeer dat biologisch afbreekt op microplastic-niveau binnen zeven maanden.

Biologische afbraak is het proces waarbij polymeren worden afgebroken in eenvoudigere moleculen door micro-organismen. Deze moleculen kunnen dan worden gebruikt als een bron van koolstof om biomassa te produceren. Echter, hiervoor moet de polymeer chemische bindingen hebben, voornamelijk in zijn primaire backbone-structuur.

Dit komt omdat ze dan fysiek toegankelijk zijn voor enzymen die deze bindingen natuurlijk herkennen als substraten. De onderliggende monomeer-moleculen die vrijkomen door deze enzymatische splitsing, kunnen dan worden geconsumeerd door micro-organismen.

In onze natuurlijke omgeving wordt dit hele proces meestal uitgevoerd door een groep micro-organismen zoals bacteriën en schimmels. Deze micro-organismen scheiden hydrolytische enzymen af, die de polymeer breken om verschillende oligomeren en monomeren vrij te maken, die door micro-organismen kunnen worden gebruikt als een koolstof-voedingsbron. 

Catabolisme van polymeer-afgeleide monomeren en oligomeren gebeurt vervolgens, wat de afbraak van complexe moleculen omvat. Dit proces resulteert in de productie van organismale biomassa en CO2 via respiratie.  

Het probleem is dat, hoewel biogebaseerde materialen kunnen worden afgeleid van natuurlijke hernieuwbare bronnen, hun beperkte biologisch afbreekbare capaciteit ervoor zorgt dat ze in het milieu blijven bestaan. Ook kan deze persistentie te wijten zijn aan chemische verwerking die ze ontoegankelijk maakt voor biologische splitsing.

Biologisch afbreekbare materialen kunnen inderdaad worden geproduceerd uit aardolie en andere fossiele bronnen, aangezien biologische afbreekbaarheid afhankelijk is van de eigenschappen van het materiaal en niet van zijn bron.

Het onmogelijke bereiken

De studie, die financieringssteun ontving van het Department of Energy (DOE), heeft als doel biologisch afbreekbare vervangingen te vinden voor materialen die al bestaan. Echter, het vinden van materialen die niet in het milieu verzamelen is “niet gemakkelijk”, zei co-auteur Michael Burkart, die ook de mede-oprichter van Algenesis is. 

Het materiaalwetenschappelijke bedrijf heeft een gepatenteerde Soleic™-technologie, de eerste hernieuwbare, volledig biologisch afbreekbare en hoogwaardige plastic materiaal gemaakt van planten. Algenesis gebruikt zijn materiaaltechnologie om schoenen, surfplanken en voetwear te produceren. Volgens Burkart, een professor in de chemie en biochemie aan UC San Diego:

“We zijn net begonnen om de implicaties van microplastics te begrijpen. We hebben nog maar het oppervlak van de milieueffecten en de gezondheidseffecten geschampt.” 

Over hun werk, zei co-auteur en mede-oprichter van Algenesis Robert Pomeroy, die, net als Bukart, een aandeel in het bedrijf heeft en professor in de chemie en biochemie is, dat ze meer dan een half decennium geleden alga-gebaseerde polymeren creëerden. Ze begrepen dat deze polymeer volledig biologisch afbreekbaar zou zijn, in staat om “te verdwijnen in de compost”.

Voor het eerst kregen ze de kans om het te meten op micropartikelniveau. Hiervoor maalden ze het materiaal fijn tot fijne micropartikels, en om te bevestigen dat het werd verteerd door micro-organismen, gebruikten ze drie verschillende meetinstrumenten.

Een respirometer was het eerste instrument, dat werd gebruikt om de koolstofdioxide (CO2) te meten die vrijkwam toen het materiaal werd afgebroken door micro-organismen. Bij het vergelijken van de afbraak van cellulose met de industrienorm van 100% biologische afbreekbaarheid, toonden de resultaten aan dat de op planten gebaseerde polymeer overeenkwam met cellulose bijna 100%.

Het tweede instrument dat werd gebruikt was waterdrijven, een methode die gebruik maakt van het feit dat plastics onoplosbaar zijn en plat in het water, waardoor ze gemakkelijk van het oppervlak kunnen worden verwijderd. Tests die werden uitgevoerd op interval van 90 en 200 dagen toonden aan dat bijna alle op aardolie gebaseerde microplastics werden teruggevonden. In tegenstelling tot de alga-gebaseerde microplastics, werden slechts 32% teruggevonden na 9 dagen en slechts 3% na 200 dagen, wat aantoont dat ze zeer biologisch afbreekbaar zijn.

In de chemische analyse door middel van gaschromatografie/massaspectrometrie (GCMS) werd de aanwezigheid van monomeren gedetecteerd, wat aangaf dat de polymeer werd afgebroken in zijn oorspronkelijke plantmateriaal. 

“Dit materiaal is het eerste plastic dat is aangetoond dat geen microplastics creëert als we het gebruiken.” 

– Co-auteur Stephen Mayfield, mede-oprichter van Algenesis

Hij voegde eraan toe:

“Dit is meer dan alleen een duurzame oplossing voor het einde van de productlevenscyclus en onze overvolle vuilnisbelten. Dit is eigenlijk plastic dat ons niet ziek zal maken.” 

Hoewel er significante vooruitgang is geboekt, is dit nog maar het begin. De volgende stap omvat het aanpassen van het nieuwe materiaal voor gebruik met de bestaande productie-apparatuur die is gebouwd voor traditioneel plastic. Hiervoor heeft Algenesis partnerships gesloten met verschillende bedrijven om producten te maken met op planten gebaseerde polymeren. Deze samenwerkingen omvatten het gebruik van alga-gebaseerde polymeren in gecoate stoffen en de productie van mobiele telefoonhoesjes met RhinoShield.

Volgens Burkart:

“Toen we dit werk begonnen, werd ons verteld dat het onmogelijk was. Nu zien we een andere realiteit. Er moet nog veel werk worden verzet, maar we willen mensen hoop geven. Het is mogelijk.” 

Zijn biologisch afbreekbare plastics de toekomst?

Zoals we kunnen zien, ondergaat de plasticsector een transformatie. Dit is belangrijk omdat plastic ongeveer 14% van ons afval uitmaakt, en het merendeel ervan belandt in de zee. Statistisch gezien produceren we momenteel meer dan 350 miljoen metrische ton plastic afval per jaar, wat naar verwachting zal stijgen tot een miljard metrische ton in 2060 als er geen veranderingen worden aangebracht in het huidige beleid.

Als we naar de levenscyclus van de meeste plastic materialen kijken, zien we dat 79% van alle geproduceerde plastic in stortplaatsen of het milieu terechtkomt, terwijl slechts 12% wordt verbrand en 9% wordt gerecycled. Ondanks een aanzienlijke toename in recycling over de afgelopen vier decennia, zit de recycling van niet-vezelplastic vast op 18%, met bijna geen textielvezels die worden gerecycled. Deze stagnatie is grotendeels te wijten aan de beperkingen van de dominante vorm van recycling, die draait om het omvormen van afvalplastics in nieuwe vormen door middel van warmte en mechanische kracht, waarbij de kwaliteit van de invoer van belang is. 

Tegen deze achtergrond nemen steeds meer bedrijven over de hele wereld maatregelen om het gebruik van conventioneel plastic te verminderen en te vervangen door meer duurzame en milieuvriendelijke alternatieven.

Biologisch afbreekbare plastics omvatten bioplastics waarvan de componenten zijn afgeleid van hernieuwbare grondstoffen en plastics met biologisch afbreekbare additieven om hun biologische afbreekbaarheid te verbeteren.

Bioplastics worden meestal gemaakt van bio-gebaseerde polymeren en kunnen bijdragen aan meer duurzame commerciële plasticlevenscycli. Hier worden polymeren gemaakt van hernieuwbare of gerecyclede grondstoffen. Bio-gebaseerde plastics hebben meestal een lager koolstofvoetafdruk in vergelijking met op fossiele brandstoffen gebaseerde plastics. Ze vertonen ook gunstige materiaaleigenschappen en kunnen verder compatibel zijn met bestaande recyclingsystemen.

Alles bij elkaar, samen met de groeiende bewustwording, onderzoek en investeringen in de plasticsector, heeft geleid tot een toenemende aanwezigheid van biologisch afbreekbare plastics in ons dagelijks leven.

Hoewel we ver weg zijn van het significante verwijderen van conventioneel plastic uit ons leven, worden er veel bemoedigende stappen genomen. Dit omvat het vinden van biologisch afbreekbare materialen om producten te maken. Natuurlijk is het moeilijk om plastic te vervangen in veel toepassingen, maar in de nabije toekomst zullen veel producten op een meer milieuvriendelijke manier worden gefabriceerd. 

Milieuvriendelijke producten hebben de meeste populariteit gewonnen in de voedselverpakkingssector, die ongeveer 39% van de totale plastics produceert. Dit benadrukt duidelijk de grote mogelijkheden voor biologisch afbreekbare plastics in de industrie. Bijvoorbeeld, afhankelijk van het product, kunnen plastic flessen worden vervangen door biologisch afbreekbare materialen, die toepassingen vinden niet alleen in voedselverpakking maar ook in nutricosmetica.

Voedingsbakjes zijn een ander goed voorbeeld (naast lepels, theelepels, vorken en bekers) waar het gebruik van biologisch afbreekbare materialen het mogelijk kan maken om zowel de verpakking als de inhoud in één vuilnisbak weg te gooien. Andere producten die biologisch afbreekbare materialen omarmen, zijn koffiecapsules, zakken voor fruit en groenten, en vuilniszakken.

Biologisch afbreekbare plastics bieden een breed scala aan mogelijkheden voor de productie van een diverse reeks verpakkingsmateriaal, terwijl ze beter voldoen aan de behoeften van veel verpakkingsapplicaties, zoals flexibiliteit, printbaarheid en barrièrefuncties.

Recente gegevens  tonen aan dat de wereldwijde markt voor biologisch afbreekbare verpakkingen een enorm groeipotentieel heeft; in 2022 was deze gewaardeerd op ongeveer 87 miljard dollar, en tegen 2029 wordt verwacht dat deze zal uitbreiden met een CAGR van 6,96%. En onder alle subsegmenten is plastic het meest winstgevend en wordt verwacht sneller te groeien dan enig ander materiaaltype.

In het bijzonder heeft bioplastic, een veelbelovend alternatief voor op aardolie gebaseerde polymeren, het potentieel om zowel onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen als de emissies die bijdragen aan klimaatverandering te verminderen.

De meest voorkomende biologisch afbreekbare plastics die nu beschikbaar zijn, zijn afgeleid van zetmeel of cellulose, waaronder polylactide (PLA), poly-3-hydroxybutyraat (PHB) en polyhydroxyalkanoaten (PHA). Deze materialen worden vaak gebruikt in de dranken-, farmaceutische-, persoonlijke- en huishoudelijke industrie, omdat ze recyclebaar en biologisch afbreekbaar zijn.

Verder dan verpakking kunnen biologisch afbreekbare plastics hun toepassing vinden in de landbouwsector, waar ze kunnen worden gebruikt in mulch, wat vrij duur is om te recyclen. Composteerbare mulch zou hier het verzamelen van afval overbodig maken, omdat het zou verdwijnen in een paar maanden zonder microplastics achter te laten die tientallen jaren zouden kunnen blijven bestaan.

Hoewel er veel voordelen en toepassingen zijn, hebben biologisch afbreekbare plastics ook nadelen in termen van hogere kosten en negatieve landbouwimpact. Echter, opkomende biologische en chemische methoden, technologische vooruitgang, financiële stimulansen en duidelijke regelgeving kunnen helpen bij de grootschalige toepassing van bioplastics en een duurzame impact hebben.

Als zodanig onderzoeken onderzoekers betere materialen en schoner productieprocessen voor verbeterde eigenschappen en nieuwe generatie-toepassingen. Op dit moment leidt Europa de commerciële productie van bioplastics met 43,5%, die naar verwachting zal uitkomen op 7,6 miljoen ton in 2026. 

Conclusie

Na jaren van studies is het nu welbekend dat microplastics zich ophopen in alle fysieke omgevingen, zoals waterlichamen, bodem en neerslag, en zelfs in de lucht worden verspreid. Vanwege hun alomtegenwoordigheid zijn microplastics nu onderdeel van de voedselketen, en bewijzen suggereren dat ze significante schade kunnen toebrengen aan mensen, dieren en ecosystemen.

Dit heeft onderzoek gestimuleerd naar biologisch afbreekbare materialen, die een meer milieuvriendelijk alternatief vormen voor traditionele plastics. Naast de ontwikkeling van nieuwe materialen zijn er inspanningen gaande om universele standaarden te implementeren. Bovendien is er een behoefte aan gedragsveranderingen om minder plastic te gebruiken en het gebruik van producten gemaakt van bioplastics te vergroten.  

Samen hebben ze zeker het potentieel om een positieve impact te hebben door de plastic afvalcrisis en koolstofemissies te mitigeren. Echter, het is belangrijk om op te merken dat zelfs biologisch afbreekbaar plastic de juiste composteeromstandigheden nodig heeft om zijn belofte waar te maken. Al met al nemen we geleidelijke stappen naar een groenere toekomst.

Klik hier voor de lijst van de vijf beste bioplastic-bedrijven.