Kunstig fotosyntese og biologisk nedbrytbarhet: Bekjempe plasttrusselen med bærekraft i tankene

CO2-utslipp og tilstedeværelsen av ikke‑nedbrytbare plast på jorden er begge farer som forårsaker irreversible skader. Betydelig er at karbondioksid, som er en varmefangende gass, varmer opp planeten og til slutt fører til klimaendringer. 

Denne oppvarmingseffekten understrekes av NASAs estimater, som viser at menneskelige aktiviteter har økt atmosfærens karbondioksidinnhold med 50% på mindre enn 200 år. Forverrende situasjonen er ikke‑nedbrytbare plastprodukter fra materialer som styrofoam, engangs plastposer og plastflasker, som utgjør en annen alvorlig trussel ved å forurense grunnvann, næringskjeden og luften.

For å takle disse sammenkoblede utfordringene har forskere fra Osaka Metropolitan University nå utviklet et gjennombrudd som håndterer begge utfordringene gjennom én metode. De har kommet frem med en innovativ og effektiv måte å produsere fumarinsyre på som vil redusere karbondioksidutslippene samtidig som avfallet omdannes til biologisk nedbrytbare plastprodukter. La oss gå dypere inn i hva denne innovasjonen betyr og hvordan den fungerer.

Klikk her for å lære om forebygging eller behandling er bedre for å takle atmosfærisk CO2.

Bærekraftig produksjon av fumarinsyre

Fumarinsyre er en komponent i biologisk nedbrytbare plast. Den kommer tradisjonelt fra petroleum, karbondioksid og biomasse‑avledede forbindelser. Nå har forskerne kommet opp med en løsning der man kan produsere fumarinsyre på en bærekraftig og effektiv måte. Det har vært to studier mot det samme målet. 

I den første studien viste et forskerteam ledet av professor Yutaka Amao ved Research Center for Artificial Photosynthesis ved Osaka Metropolitan University (OMU) hvordan man kan syntetisere fumarinsyre fra bikarbonat og biomasse‑avledet pyruvinsyre. Energien som ble brukt i prosessen var fornybar solenergi. 

Forskerne oppnådde også suksess med å produsere fumarinsyre med karbondioksid som bidro som råmateriale i prosessen, direkte fra gassfasen. Imidlertid hadde eksperimentet en begrensning: det klarte ikke å produsere en betydelig mengde fumarinsyre. Produksjonen forble lav. 

I den påfølgende forskningen overvant forskerne utfordringen. De utviklet en ny fotosensitizer og gjorde fremskritt innen kunstig fotosyntese som kunne doble avkastningen av fumarinsyre sammenlignet med tradisjonelle metoder. 

Forskerne utviklet en effektiv metode for å produsere synlig‑lysdrevet fumarat fra gassformig CO2 og pyruvat med et system bestående av trietanolamin, kationisk vannløselig sinkporfyrin, sink‑tetrakis(4‑N,N,N‑trimetyl‑aminofenyl)porfyrin, pentametyl‑syklopentadienyl‑koordinert rhodium(III) 2,2′‑bipyridyl‑kompleks, NAD+, malatdehydrogenase (NAD+-avhengig oksaloacetat‑dekarboksylering) og fumarase.

Forskningen, med tittelen «An effective visible-light-driven fumarate production from gaseous CO2 and pyruvate by the cationic zinc porphyrin-based photocatalytic system with dual biocatalysts», ble støttet av Institute of Fermentation i Osaka. 

Samlet sett har forskningen empirisk vist at det er mulig å fremstille en avansert kunstig fotosyntese‑katalysator som kan bruke karbondioksid mer effektivt i produksjonen av biologisk nedbrytbare plast. 

Men hvis vi tenker videre og prøver å vurdere hvorfor kunstig fotosyntese og dens bidrag til bærekraftig og effektiv produksjon av biologisk nedbrytbare plast anses som et gjennombrudd, vil vi se at plast har vært en trussel, og enhver innsats for å gjøre den bærekraftig produsert nedbrytbar bør verdsettes og oppmuntres. 

En av de mest alvorlige plastrelaterte skadene på planeten Jorden forårsakes av mikroplast. USAs National Oceanic and Atmospheric Administration definerer mikroplast som små plastbiter som er mindre enn fem millimeter lange og som skader helsen vår, havet og det akvatiske livet. Kategorien inkluderer også plast som er bevisst designet til å være små. Kalt mikroperler, brukes disse i mange helse‑ og skjønnhetsprodukter. Disse mikroplastene medfører flere skadelige konsekvenser.

Mikroplast kommer inn i kroppen vår gjennom ulike veier, inkludert vannet vi drikker, maten vi spiser, og matbeholderne vi bruker, som alle er kanaler for oral inntak av mikroplast. I tillegg inhalerer vi mikroplast gjennom luften, og våre personlige pleieprodukter og mobiltelefondeksler, som inneholder mikroplast, gir muligheter for at de kommer i kontakt med oss.

Når de er inne i menneskekroppen, kan disse mikroplastene forårsake en rekke helseproblemer. De er kjent for å indusere oksidativt stress og DNA-skade, føre til metabolske forstyrrelser, og forårsake dysfunksjoner i vitale organer som lever, tarm, hjerne og luftveier. Videre kan toksisiteten fra mikroplast skade vår reproduktive og utviklingsmessige kapasitet, noe som illustrerer alvoret i deres påvirkning på menneskers helse.

Problemet med mikroplast strekker seg utover menneskers helse, da disse partiklene også skader marint liv. De har en giftig effekt på fisk og andre akvatiske organismer, hemmer deres vekst og utvikling, øker dødeligheten, forårsaker betennelse, reduserer svømmehastigheten, minsker vitalitet og kroppslengde, og forårsaker tarmskader. Denne dokumentasjonen understreker det presserende behovet for å adressere og stoppe forurensningen av miljøet med mikroplast.

I lys av dette har nylige undersjøiske dykkundersøkelser fremhevet det akutte behovet for innovative avfallshåndteringsløsninger. For eksempel avdekket en banebrytende undersøkelse utført av forskere fra Desert Research Institute på bunnen av Lake Tahoe et alarmerende gjennomsnitt på 83 plastbiter per kilometer, uten et eneste strekke av bunnen som var fri for plastavfall. Vanlige gjenstander som ble identifisert inkluderer matbeholdere, flasker, plastposer og leker, med de seks mest vanlige plasttypene som polyvinylklorid (PVC), polystyren, polyester/polyetylentereftalat, polyetylen, polypropylen og polyamid.

Selv om flere leverandører av løsninger som tilbyr levedyktige alternativer for å rense plast under vann er til stede, er forskerne også interessert i å vurdere potensialet til en «bærekraftig metrikk» for å dempe plastforurensning. Forskere ved Woods Hole Oceanographic Institution utviklet en bærekraftig metrikk for økologisk design av plastprodukter som har lav vedvarende påvirkning i miljøet. Forskerne mente at denne metrikken kunne gi miljømessige og samfunnsmessige fordeler. 

Studien viste en innovativ og oppfinnsom måte å takle plastforurensningens trussel på. Tilnærmingen kan sees som noe lik de sosiale påvirkningsregnskapøvelsene vi er kjent med. Den sammenlignet indekser for miljøpåvirkningen av plast så vel som deres erstatninger, og demonstrerte at regnskap for plastens miljøpersistence og effektiv erstatning kan bety gevinster på hundrevis av millioner dollar for et enkelt forbrukerprodukt. 

Mens han forklarte betydningen av studien, sa studiens hovedforfatter, Bryan James, en materialforsker og ingeniør,:

“Det som er viktig å fastslå er hvordan vi kan designe funksjonelle, bærekraftige og ufarlige materialer, produkter og prosesser som innkapsler alle prinsippene for grønn materialteknikk i den fremtidige verden vi skal leve i.”

Samlet sett holder arbeidet med å lage plast som er tilstrekkelig biologisk nedbrytbar og å identifisere egnede alternativer for dem den vitenskapelige og teknologiske fellesskapet opptatt. Det finnes mange virksomheter, både store og små, som aktivt arbeider innen dette området.  

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group har vært en aktiv deltaker i dette feltet i ganske lang tid. Som medlem av Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), etablert i oktober 2012, deltok Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) i et kunstig fotosyntese‑prosjekt utført av New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Siden da har Mitsubishi presset grensene for å oppnå større effektivitet og optimalisering av prosessen. 

Det handlet om bærekraftig produksjon av fumarinsyre i forskningen vi hadde som innledning til vår diskusjon. Imidlertid er Mitsubishi Chemical Groups innsats rettet mot produksjon av Olefin. 

I denne prosessen spiller en syntetisk katalysator en kritisk rolle ved å muliggjøre reaksjonen mellom separert hydrogen og karbondioksid. Mitsubishis innovative arbeid med å utvikle en egnet katalysator og forbedre nødvendige prosess‑teknologier har betydelig økt avkastningen, noe som gjør Olefin‑produksjon mer effektiv. 

Som et resultat har Olefin blitt et effektivt produsert råmateriale for å lage plast, og viser Mitsubishis bidrag til å fremme bærekraftige produksjonspraksiser i kjemisk industri.

Green Innovation Project, drevet av NEDO, valgte Mitsubishis kommersielle utvikling av kunstig fotosyntese‑basert produksjon av kjemiske råmaterialer for finansiering i februar 2022. 

I videre utviklingsstadier vil prosessen konvertere råmaterialer fra petroleum og bidra til å utvikle plastproduksjonsteknologi som utnytter karbondioksid ved å bruke petrokjemisk produksjonsteknologi, katalysatorutviklingsteknologi og andre teknologier den har utviklet i samarbeid med universiteter og forskningsinstitusjoner. 

Mitsubishi Corporation publiserte en integrert rapport for regnskapsåret som avsluttet 31. mars 2023. Selskapet tjente mer enn US$159 milliarder.

#2. Evonik and Siemens

I det som kalles teknisk fotosyntese bruker to selskaper, Evonik og Siemens, fornybar energi og bakterier for å omdanne karbondioksid til spesialkjemikalier. Selskapene utfører dette under et felles forskningsprosjekt kalt Rheticus. Den første fasen av forskningen resulterte i produksjon av kjemikalier som butanol og heksanol, som begge er råstoffer for spesialplast og kosttilskudd. 

Ifølge Dr. Thomas Haas, ansvarlig for prosjektet i Evoniks strategiske forskningsavdeling Creavis: 

“Med Rheticus‑plattformen ønsker vi å demonstrere at kunstig fotosyntese er gjennomførbar.”

For å gjøre dette påstanden til virkelighet bidrar både Evonik og Siemens i henhold til sine kjernekompetanser. For eksempel gir Siemens prosessen elektrolyseteknologi, som vil bli brukt i første trinn for å omdanne karbondioksid og vann til hydrogen og karbonmonoksid ved hjelp av elektrisitet. 

Evoniks bidrag er rettet mot å styrke fermenteringsprosessen, hvor gasser som inneholder karbonmonoksid vil bli omdannet til nyttige produkter gjennom metabolske prosesser fasilitert av spesielle mikroorganismer. 

Mens han utdyper potensialet for å hjelpe plast- og spesialkjemikalieindustrien, sa Dr. Haas:

“Dens modulære natur og fleksibilitet når det gjelder plassering, råmaterialkilder og produserte produkter gjør den nye plattformen spesielt attraktiv for spesialkjemikalieindustrien. Vi er sikre på at andre selskaper vil bruke plattformen og integrere den med sine egne moduler for å produsere sine kjemiske produkter.”

Ifølge de siste tilgjengelige årsregnskapene registrerte Evonik Group en omsetning på nesten 18,5 milliarder euro i 2022. Av denne inntekten bidro spesialtilsetningsstoffer og ernæring & omsorg med 23 % hver. Inntekter fra smarte materialer utgjorde 26 % av inntektene, mens ytelsesmaterialer bidro med 20 %, og teknologi‑ og infrastrukturprodukter og -tjenester med 8 %. 

I regnskapsåret 2023 registrerte Siemens en årlig omsetning på nesten 22 milliarder euro, en betydelig økning fra 19,5 milliarder euro registrert i regnskapsåret 2022. 

Plast og vår reise mot bærekraft

Gjennom kollektive innsats må vi sikre at vi tar de riktige stegene mot en fremtid fylt med bioplast, som enten er biologisk nedbrytbare plast eller biobaserte materialer i seg selv, og som henter energi fra fornybare kilder. Disse bioplastene, når det gjelder holdbarhet og brukbarhet, vil ikke være mindre enn konvensjonell plast. De kan behandles gjennom vanlige plastmaskiner og oppbevares i tradisjonelle lager, og fjerner dermed behovet for ressursredundans.

Manglende evne til å finne et levedyktig alternativ til plastavfallsproblemet vil medføre alvorlige farer for flere land rundt om i verden. Sørøst-Asia, for eksempel, har allerede blitt et «hot spot» for plastforurensning, en situasjon forverret av rask urbanisering og en voksende middelklasse. I tillegg forverres dette av manglende effektiv infrastruktur, noe som har resultert i lav effektivitet for resirkulerbar plast.

Dette problemet med dårlig avfallshåndtering ble ytterligere forverret under COVID‑perioden på grunn av forbruket av masker, desinfeksjonsflasker og emballasje fra netthandel. Ifølge data presentert av Verdensbanken, i land som Thailand, Filippinene og Malaysia, går mer enn 75 % av materialverdien av resirkulerbar plast tapt – tilsvarende 6 milliarder dollar per år når engangsplast kastes i stedet for å bli gjenvunnet og resirkulert.

I lys av slik dårlig avfallshåndtering og utilstrekkelig infrastruktur fremstår bioplast som det mest effektive alternativet som er uavhengig av slike feil. Videre bidrar bioplast til våre bærekraftige innsats siden de er mindre avhengige av tradisjonelle fossile brensler. Bruk av biologisk nedbrytbare plast betyr også forbedrede slutt‑liv‑scenarioer for avhending og resirkulering.

Likevel er andelen bioplast fortsatt mye lavere enn det som burde være for at vår fremtid skal være fullt avhengig av bærekraftige metoder. Ifølge ett estimat er andelen bioplast av de 367 millioner tonn plast som produseres globalt hvert år fortsatt under én prosent. Det forventes imidlertid at den vil oppleve betydelig vekst i de kommende årene på tvers av en rekke bruksområder, inkludert emballasje, forbrukerprodukter, bygg og anlegg, bil- og transportsektoren, tekstiler, landbruk og hagebruk, elektrisk og elektronikk, belegg og lim, og mer.

Banebrytende, forskningsbaserte teknologier, som kunstig fotosyntese og bærekraftig produksjon av plastkomponenter drevet av fornybare energikilder, vil ha en betydelig innvirkning på måtene vi håndterer plast på. Disse prosessene vil ikke bare bety mer miljøvennlig plast, men også et produksjonsekosystem som er bærekraftig og nesten utslippsfritt.