Milieuvriendelijke Alternatieven voor Kunststoffen: Sleutel tot Duurzaamheidsinspanningen – Zijn Biologisch Afbreekbare Kunststoffen een Oplossing?

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

Het is de alomtegenwoordigheid van plasticgebruik door mensen die heeft geleid tot microplastics, die de neiging hebben te blijven bestaan in het milieu. Microplastics zijn kleine fragmenten, meestal tussen 5 millimeter (mm) en 500 micrometer (µm) groot, die vrijkomen uit alledaagse plasticproducten. 

Deze deeltjes komen van flessen, zakken, verpakkingen en andere plasticbronnen, evenals bandenslijtage, synthetische textiel en microbeads uit persoonlijke verzorgingsproducten. Microplastics worden meestal gevormd door een verscheidenheid aan fysieke en chemische processen, waaronder wrijving, UV-afbraak, productieprocessen en fysiek of chemisch geïnduceerde fragmentatie.

De ophoping van microplastics in de natuurlijke omgeving, inclusief oceanen, neerslag en bodem, is te wijten aan de chemische aard van op petroleum gebaseerde plasticpolymeren. Deze polymeren zijn grote moleculen die bestaan uit veel kleinere, monomeren genaamd. Deze veelgebruikte plastics zijn doorgaans ontoegankelijk voor biologische verwerking. 

Aangezien ze bijna onverwoestbaar zijn en tientallen tot eeuwen nodig hebben om af te breken, groeit de behoefte aan een alternatief voor traditionele op petroleum gebaseerde plastics en microplastics. Een antwoord op dit probleem is het ontwikkelen van plastics die geen blijvende microplastics genereren als onderdeel van hun normale levenscyclus. 

Zelfs als plastic correct wordt ingezameld en gerecycled, genereert het nog steeds microplastics als gevolg van normaal slijtage door dagelijks gebruik of als consequentie van recycling- of wasprocessen. Om dit te voorkomen, moeten we nieuwe plasticmaterialen ontwikkelen die volledig biologisch afbreekbaar zijn, wat betekent dat ze snel afbreken door de werking van levende organismen in het milieu.

Dus, om hierbij te helpen, een nieuwe studie van Algenesis Corporation en wetenschappers en professoren van de University of California San Diego heeft een plantaardig polymeer gecreëerd dat binnen zeven maanden op microplasticniveau biologisch afbreekt.

Biodegradatie is het proces waarbij polymeren door microben worden afgebroken tot eenvoudigere moleculen. Deze moleculen kunnen vervolgens worden gebruikt als koolstofbron om biomassa te produceren. Echter, om dit te laten gebeuren, moet het polymeer chemische bindingen hebben, voornamelijk in de primaire backbone-structuur.

Dit komt doordat ze vervolgens fysiek toegankelijk zijn voor enzymen die deze bindingen van nature herkennen als substraten. De onderliggende monomermoleculen die door deze enzymatische splitsing vrijkomen, kunnen vervolgens door micro-organismen worden geconsumeerd.

In onze natuurlijke omgeving wordt dit hele proces meestal uitgevoerd door een groep microben zoals bacteriën en schimmels. Deze microben scheiden hydrolytische enzymen af, die het polymeer afbreken om verschillende oligomeren en monomeren vrij te maken die door microben als koolstofvoedingsbron worden gebruikt. 

Vervolgens vindt de katabolisme van polymeren-afgeleide monomeren en oligomeren plaats, wat de afbraak van complexe moleculen inhoudt. Dit proces resulteert in de productie van organismenbiomassa en CO2 via ademhaling.  

Het punt is dat, hoewel biogebaseerde materialen uit natuurlijke hernieuwbare bronnen kunnen worden afgeleid, hun beperkte biologisch afbreekbare vermogen ervoor zorgt dat ze in het milieu blijven. Bovendien kan deze persistentie te wijten zijn aan chemische bewerkingen die ze ontoegankelijk maken voor biologische afbraak.

Biologisch afbreekbare materialen kunnen inderdaad worden geproduceerd uit petroleum en andere fossiele bronnen, aangezien de afbreekbaarheid afhangt van de eigenschappen van het materiaal en niet van de bron.

Het Onmogelijke Bereiken

De studie, die financiering kreeg van het Department of Energy (DOE), heeft als doel biologisch afbreekbare vervangingen te vinden voor materialen die al bestaan. Het vinden van materialen die zich niet ophopen in het milieu is echter “niet gemakkelijk”, zei mede-auteur Michael Burkart, die ook mede-oprichter is van Algenesis. 

De gepatenteerde Soleic™-technologie van het materiaalkundige bedrijf is ‘s werelds eerste hernieuwbare, volledig biologisch afbreekbare en high-performance plasticmateriaal gemaakt van planten. Algenesis gebruikt deze materiaattechnologie om schoenen, surfplanken en schoeisel te produceren. Volgens Burkart, professor in Chemie en Biochemie aan UC San Diego:

“We staan nog maar aan het begin van het begrijpen van de implicaties van microplastics. We hebben slechts het oppervlak van de milieu- en gezondheidsimpact aangeraakt.” 

Over hun werk pratend, merkte mede-auteur en mede-oprichter van Algenesis Robert Pomeroy, die, net als Burkart, een aandelenpositie in het bedrijf heeft en tevens professor in chemie en biochemie is, op dat ze meer dan een half decennium geleden eerst algen-gebaseerde polymeren hadden gecreëerd. Ze begrepen dat dit polymeer volledig biologisch afbreekbaar zou zijn, in staat om “verdwenen te worden in de compost”.

Voor het eerst kreeg het team echter de kans om het op microniveau te meten. Hiervoor maalden ze het materiaal tot fijne micropartikelen, en om te bevestigen dat het door microben werd afgebroken, gebruikte het team drie verschillende meetinstrumenten.

Een respirometer was het eerste instrument, dat werd gebruikt om de kooldioxide (CO2) te meten die vrijkomt wanneer het materiaal door microben wordt afgebroken. Bij het vergelijken van de afbraak van cellulose met de industriestandaard van honderd procent biologisch afbreekbaarheid, toonden de resultaten aan dat het plantaardige polymeer cellulose bijna voor 100% evenaart.

Het tweede gebruikte instrument was waterdrijving, een methode die profiteert van het feit dat plastics onoplosbaar en vlak in water zijn, waardoor ze gemakkelijk van het oppervlak kunnen worden verwijderd. Tests uitgevoerd met intervallen van 90 en 200 dagen toonden aan dat bijna alle op petroleum gebaseerde microplastics werden teruggewonnen. Daarentegen werden bij algen-gebaseerde microplastics slechts 32% na negen dagen en slechts 3% na 200 dagen teruggevonden, wat aantoont dat ze sterk biologisch afbreekbaar zijn.

In de chemische analyse via gaschromatografie/massaspectrometrie (GCMS) werd de aanwezigheid van monomeren gedetecteerd, wat aangeeft dat het polymeer werd afgebroken tot zijn oorspronkelijke plantaardige materialen. 

“Dit materiaal is het eerste plastic dat bewezen heeft geen microplastics te creëren tijdens gebruik.”

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

Hij voegde hieraan toe:

“Dit is meer dan alleen een duurzame oplossing voor de levenscyclus van het eindproduct en onze overvolle stortplaatsen. Dit is echt plastic dat ons niet ziek zal maken.”

Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt, is dit slechts het begin. De volgende stap omvat het aanpassen van het nieuwe materiaal voor gebruik met de bestaande productiemachines die voor traditioneel plastic zijn gebouwd. Daartoe heeft Algenesis partnerschappen met verschillende bedrijven gesloten om producten te maken met plantaardige polymeren. Deze samenwerkingen omvatten het gebruik van algen-gebaseerde polymeren in gecoate stoffen door Trelleborg en de productie van mobiele telefoonhoesjes met RhinoShield.

Volgens Burkart:

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

Zijn Biologisch Afbreekbare Kunststoffen de Toekomst?

Zoals we kunnen zien, ondergaat de plasticssector een transformatie. Dit is belangrijk omdat plastic ongeveer 14% van ons afval uitmaakt, en het overgrote deel ervan in de zee terechtkomt. Statistisch gezien produceren we momenteel meer dan 350 miljoen metrische ton plasticafval per jaar, wat naar verwachting één miljard metrische ton zal bereiken tegen 2060 als er geen veranderingen in het huidige beleid worden doorgevoerd.

Als we naar de levenscyclus van de meeste plasticmaterialen kijken, blijkt dat 79% van alle geproduceerde plastic wordt gestort op stortplaatsen of in het milieu terechtkomt, terwijl slechts 12% wordt verbrand en 9% wordt gerecycled. Ondanks een aanzienlijke toename van recycling in de afgelopen vier decennia, blijft recycling van niet-vezelplastic hangen op 18%, met bijna geen gerecyclede textielvezels. Deze stagnatie is grotendeels te wijten aan de beperkingen van de dominante vorm van recycling, die draait om het omzetten van afvalplastic in nieuwe vormen via hitte en mechanische kracht, waarbij de kwaliteit van de invoer van belang is.

Tegen deze achtergrond nemen steeds meer bedrijven wereldwijd stappen 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 afbreekbaarheid te verbeteren.

Bioplastics worden doorgaans vervaardigd uit bio-gebaseerde polymeren en kunnen bijdragen aan meer duurzame commerciële plasticlevenscycli. Hier worden polymeren gemaakt van hernieuwbare of gerecyclede grondstoffen. Bio-gebaseerde plastics hebben over het algemeen een kleinere CO2-voetafdruk dan op fossiele brandstoffen gebaseerde plastics. Ze vertonen bovendien gunstige materiaaleigenschappen en kunnen compatibel zijn met bestaande recyclingstromen.

Dit alles, samen met de groeiende bewustwording, onderzoek en investeringen in de plasticsindustrie, heeft geleid tot een toenemende aanwezigheid van biologisch afbreekbare plastics in ons dagelijks leven.

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

Milieuvriendelijke producten hebben de meeste populariteit verworven in de voedselverpakkingssector, die ongeveer 39% van de totale geproduceerde plastics uitmaakt. Dit benadrukt duidelijk de grote potentie van biologisch afbreekbare plastics in de industrie. Bijvoorbeeld, afhankelijk van het product, kunnen plasticflessen worden vervangen door biologisch afbreekbare materialen, met toepassingen niet alleen in voedselverpakkingen maar ook in nutraceuticals.

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

Biologisch afbreekbare plastics bieden een breed scala aan mogelijkheden voor het vervaardigen van diverse verpakkingen, terwijl ze beter inspelen op de behoeften van vele verpakkingsapplicaties, zoals flexibiliteit, printbaarheid en verbeterde barrièremogelijkheden.

Recente gegevens geeft aan dat de wereldwijde markt voor biologisch afbreekbare verpakkingen een enorm groeipotentieel heeft; in 2022 werd deze gewaardeerd op ongeveer $87 miljard, en tegen 2029 wordt verwacht dat deze zal groeien met een CAGR van 6,96%. En onder alle subsegmenten is plastic het meest lucratief en wordt voorspeld dat het sneller zal groeien dan elk ander materiaaltype.

In het bijzonder heeft bioplastic, een veelbelovend alternatief voor op petroleum gebaseerde polymeren, de potentie 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 polylactic acid (PLA), poly-3-hydroxybutyrate (PHB) en polyhydroxyalkanoates (PHA). Deze materialen worden vaak gebruikt in de dranken-, farmaceutische, persoonlijke en huishoudelijke zorgindustrieën, omdat ze recyclebaar en biologisch afbreekbaar zijn.

Naast verpakkingen kunnen biologisch afbreekbare plastics hun toepassing vinden in de landbouwsector, waar ze kunnen worden gebruikt in mulch, wat behoorlijk duur is om te recyclen. Composteerbare mulch zou hier de noodzaak om het afval te verzamelen elimineren, omdat het binnen enkele maanden zou verdwijnen zonder microplastics achter te laten die tientallen jaren zouden blijven bestaan.

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

Daarom onderzoeken onderzoekers actief betere materialen en schonere productiemethoden voor verbeterde eigenschappen en toepassingen van de nieuwe generatie. Met 43,5% leidt Europa momenteel de commerciële productie van bioplastics, die naar verwachting zal bereiken 7,6 miljoen ton tegen 2026. 

Conclusie

Na jaren van onderzoek is nu algemeen bekend dat microplastics zich ophopen in alle fysieke omgevingen, zoals waterlichamen, bodem en neerslag, en zelfs in de lucht worden verspreid. Door hun alomtegenwoordigheid maken microplastics nu deel uit van de voedselketen, en bewijs suggereert dat ze aanzienlijke schade kunnen veroorzaken aan mensen, dieren en ecosystemen.

Dit heeft onderzoek naar biologisch afbreekbare materialen gestimuleerd, die een milieuvriendelijker alternatief voor traditionele plastics bieden. Naast de ontwikkeling van nieuwe materialen worden er inspanningen geleverd om universele normen te implementeren. Bovendien is er behoefte aan gedragsveranderingen richting minder plasticgebruik en een toename van het gebruik van producten gemaakt van bioplastics.  

Samen hebben ze zeker het potentieel om een positieve impact te hebben door de plasticafvalcrisis en CO2-emissies te verminderen. Het is echter belangrijk op te merken dat zelfs biologisch afbreekbare plastic juiste composteeromstandigheden nodig heeft om te garanderen dat het zijn belofte waarmaakt. Over het geheel genomen zetten we geleidelijke stappen richting een groenere toekomst.

Klik hier voor de lijst van de vijf beste bioplastics bedrijven.