Miljøvennlige alternativer til plast – nøkkelen til bærekraftige tiltak: Er biologisk nedbrytbare plastmaterialer en løsning?

Tilstedeværelsen og oppbyggingen av mikroplast i økosystemet vårt er godt dokumentert, og nyere bevis tyder på at de har skadelige effekter på ulike biologiske prosesser. Etter hvert som vi fortsetter å oppdage mikroplast i lungene, arteriene og til og med i morkaken, lærer vi fortsatt om deres påvirkning på miljøet og menneskers helse.

Det er den allestedsnærværende bruken av plast av mennesker som har ført til mikroplast, som har en tendens til å vedvare i miljøet. Mikroplast er små fragmenter, vanligvis mellom 5 millimeter (mm) og 500 mikrometer (µm) i størrelse, som slippes fra hverdagslige plastprodukter.

Disse partiklene stammer fra flasker, poser, emballasje og andre plastkilder, samt dekk‑slitasje, syntetiske tekstiler og mikroperler fra personlig pleieprodukter. Mikroplast dannes vanligvis gjennom en rekke fysiske og kjemiske prosesser, inkludert abrasjon, UV‑nedbrytning, produksjonsprosesser og fysisk eller kjemisk indusert fragmentering.

Opphopningen av mikroplast i det naturlige miljøet, inkludert hav, nedbør og jord, skyldes den kjemiske naturen til petroleumsbaserte plastpolymerer. Disse polymerene er store molekyler som består av mange mindre, kalt monomerer. Disse mye brukte plastene er vanligvis utilgjengelige for biologisk bearbeiding.

Ettersom de er nesten uforgjengelige og kan ta fra tiår til århundrer å brytes ned, er det et økende behov for et alternativ til tradisjonelle petroleumsbaserte plast og mikroplast. Et svar på dette er å utvikle plast som ikke genererer vedvarende mikroplast som en del av deres normale livssyklus.

Selv om plast samles inn og resirkuleres på riktig måte, genererer den fortsatt mikroplast som en del av normal slitasje fra daglig bruk eller som en følge av resirkulerings‑ eller vaskeprosesser. Derfor må vi utvikle nye plastmaterialer som er helt biologisk nedbrytbare, noe som betyr at de brytes ned raskt ved handling fra levende organismer i miljøet.

Så, for å bidra til dette, en ny studie av Algenesis Corporation og forskere og professorer ved University of California San Diego skapte en plantebasert polymer som biologisk nedbrytes på mikroplastnivå innen syv måneder.

Biologisk nedbrytning er prosessen der polymerer brytes ned til enklere molekyler av mikrober. Disse molekylene kan deretter brukes som en kilde til karbon for å produsere biomasse. For at dette skal skje, må polymeren ha kjemiske bindinger, hovedsakelig i sin primære ryggstruktur.

Dette skyldes at de da er fysisk tilgjengelige for enzymer som naturlig gjenkjenner disse bindingene som substrater. De underliggende monomermolekylene som frigjøres gjennom denne enzymatiske kløyvingen, kan deretter konsumeres av mikroorganismer.

I vårt naturlige miljø utføres denne hele prosessen vanligvis av en gruppe mikrober som bakterier og sopp. Disse mikrober skiller ut hydrolytiske enzymer som bryter polymeren for å frigjøre ulike oligomerer og monomerer som kan brukes av mikrober som en karbonkilde.

Katalyse av polymer‑avledede monomerer og oligomerer skjer deretter, noe som innebærer nedbrytning av komplekse molekyler. Denne prosessen resulterer i produksjon av organismens biomasse og CO₂ via respirasjon.

Saken er at selv om biobaserte materialer kan utvinnes fra naturlige fornybare kilder, gjør deres begrensede biologisk nedbrytbare evne at de forblir i miljøet. Denne vedvarende tilstanden kan også skyldes kjemisk bearbeiding som gjør dem utilgjengelige for biologisk kløyving.

Biologisk nedbrytbare materialer kan faktisk produseres fra petroleum og andre fossile ressurser siden nedbrytbarhet avhenger av materialets egenskaper snarere enn kilden.

Oppnå det umulige

Studien, som fikk finansiering fra Department of Energy (DOE), har som mål å finne biologisk nedbrytbare erstatninger for materialer som allerede finnes. Men å finne materialer som ikke samler seg i miljøet er «ikke lett», sa medforfatter Michael Burkart, som også er medgründer av Algenesis.

Materialvitenskapsbedriftens patenterte Soleic™‑teknologi er verdens første fornybare, fullt biologisk nedbrytbare og høyytelses plastmateriale laget av planter. Algenesis bruker sin materialteknologi til å produsere sko, surfebrett og fottøy. Ifølge Burkart, professor i kjemi og biokjemi ved UC San Diego:

“Vi er bare i starten av å forstå implikasjonene av mikroplast. Vi har kun skrapt i overflaten av de miljømessige og helsemessige påvirkningene.”

Når de snakker om arbeidet sitt, sa medforfatter og medgründer av Algenesis Robert Pomeroy, som, i likhet med Burkart, har en eierandel i selskapet og er professor i kjemi og biokjemi, at de først laget algebaserte polymerer for mer enn et halvt tiår siden. De forsto at denne polymeren ville være helt biologisk nedbrytbar, i stand til å «forsvinne i komposten».

For første gang fikk imidlertid teamet muligheten til å måle den på mikropartikkelnivå. For dette knuste de materialet til fine mikropartikler, og for å bekrefte at det ble fordøyd av mikrober, brukte teamet tre ulike måleverktøy.

Et respirometer var det første verktøyet, som ble brukt til å måle karbondioksid (CO₂) som ble sluppet ut når materialet ble brutt ned av mikrober. Når nedbrytningen av cellulose ble sammenlignet med bransjestandarden på hundre prosent biologisk nedbrytbarhet, viste resultatene at den plantebaserte polymeren samsvarer med cellulose på nesten 100 %.

Det andre verktøyet som ble brukt var vannflytning, en metode som utnytter det faktum at plast er uoppløselig og flyter på vannet, noe som gjør dem enkle å fjerne fra overflaten. Tester utført med intervaller på 90 og 200 dager viste at nesten all petroleumsbasert mikroplast ble gjenvunnet. Til sammenligning ble kun 32 % av algebasert mikroplast gjenvunnet etter ni dager og kun 3 % etter 200 dager, noe som demonstrerer at den er svært biologisk nedbrytbar.

I den kjemiske analysen ved hjelp av gasskromatografi/massespektrometri (GCMS) ble tilstedeværelsen av monomerer påvist, noe som indikerer at polymeren ble brutt ned til sine opprinnelige plantematerialer.

“Dette materialet er den første plasten som er demonstrert å ikke skape mikroplast når vi bruker den.”

– Medforfatter Stephen Mayfield, medgründer av Algenesis

Han la til videre:

“Dette er mer enn bare en bærekraftig løsning for produktets livssyklus og våre overfylte deponier. Dette er faktisk plast som ikke vil gjøre oss syke.”

Selv om betydelige fremskritt er gjort, er dette bare begynnelsen. Neste steg innebærer å tilpasse det nye materialet for bruk med eksisterende produksjonsutstyr som er bygget for tradisjonell plast. For dette formålet har Algenesis sikret partnerskap med flere selskaper for å lage produkter ved hjelp av plantebaserte polymerer. Disse samarbeidsprosjektene inkluderer Trelleborgs bruk av algebaserte polymerer i belagte stoffer og produksjon av mobiltelefondeksler med RhinoShield.

Ifølge Burkart:

“Da vi startet dette arbeidet, ble vi fortalt at det var umulig. Nå ser vi en annen virkelighet. Det er mye arbeid som gjenstår, men vi vil gi folk håp. Det er mulig.”

Er biologisk nedbrytbare plastmaterialer fremtiden?

Som vi kan se, gjennomgår plastsektoren en transformasjon. Dette er viktig fordi plast utgjør omtrent 14 % av vårt avfall, og den store majoriteten ender opp i havet. Statistisk sett produserer vi for øyeblikket over 350 millioner tonn plastavfall per år som er forventet å nå en milliard tonn innen 2060 dersom ingen endringer gjøres i dagens politikk.

Når man ser på livssyklusen til de fleste plastmaterialer, viser det at 79 % av all plast som produseres blir dumpet på deponier eller havner i miljøet, mens kun 12 % blir brent og 9 % blir resirkulert. Til tross for en betydelig økning i resirkulering de siste fire tiårene, sitter resirkulering av ikke‑fiberplast fast på 18 %, med nesten ingen tekstilfibre som blir resirkulert. Denne stagnasjonen skyldes i stor grad begrensningene i den dominerende formen for resirkulering, som handler om å omforme plastavfall til nye former gjennom varme og mekanisk kraft, hvor inngangskvaliteten er viktig.

I dette bakteppet tar stadig flere selskaper verden over skritt for å redusere bruken av konvensjonell plast og erstatte den med mer bærekraftige og miljøansvarlige alternativer.

Biologisk nedbrytbare plastmaterialer omfatter bioplast som komponentene er avledet fra fornybare råmaterialer, samt plast med biologisk nedbrytbare tilsetningsstoffer for å forbedre nedbrytningen.

Bioplast blir vanligvis fremstilt fra bio‑baserte polymerer og kan bidra til mer bærekraftige kommersielle plastlivssykluser. Her lages polymerer fra fornybare eller resirkulerte råmaterialer. Bio‑baserte plast har en tendens til å ha lavere karbonavtrykk sammenlignet med fossile plasttyper. De viser også fordelaktige materialegenskaper og kan videre være kompatible med eksisterende resirkuleringsstrømmer.

Alt dette, sammen med økende bevissthet, forskning og investeringer i plastindustrien, har ført til en økende tilstedeværelse av biologisk nedbrytbare plast i vårt daglige liv.

Selv om vi er langt fra å fjerne konvensjonell plast på en meningsfull måte fra livene våre, blir mange oppmuntrende tiltak gjort. Dette inkluderer å finne biologisk nedbrytbare materialer for å produsere produkter. Selvfølgelig er det vanskelig å erstatte plast i mange bruksområder, men i nær fremtid vil mange produkter bli fremstilt på en mer miljøvennlig måte.

Miljøvennlige produkter har fått mest popularitet i matemballasjesektoren, som utgjør omtrent 39 % av den totale plastproduksjonen. Dette tydeliggjør det store potensialet for biologisk nedbrytbare plast i industrien. For eksempel, avhengig av produktet, kan plastflasker erstattes med biologisk nedbrytbare materialer, med anvendelser ikke bare i matemballasje, men også i nutraceuticals.

Matbrett er et annet godt eksempel (i tillegg til skjeer, teskjeer, gafler og kopper) hvor bruk av biologisk nedbrytbare materialer kan gjøre det mulig å kaste både beholderen og innholdet i én søppelbøtte. Andre produkter som omfavner biologisk nedbrytbare materialer inkluderer kaffekapsler, poser for frukt og grønnsaker, og søppelsekker.

Biologisk nedbrytbare plast gir et bredt spekter av muligheter for å produsere et mangfold av emballasje, samtidig som de bedre dekker behovene i mange emballasjebehov, som fleksibilitet, trykkbarhet og barriereforbedringer.

Nylige data indikerer at det globale markedet for biologisk nedbrytbar emballasje har enormt vekstpotensial; i 2022 var det verdsatt til omtrent 87 milliarder dollar, og innen 2029 er det forventet å vokse med en CAGR på 6,96 %. Og blant alle undersegmenter er plast den mest lukrative og forventes å vokse raskere enn noen annen materialtype.

Spesielt har bioplast, et lovende alternativ til petroleumsbaserte polymerer, potensialet til å redusere både vårt avhengighetsforhold til fossilt brensel og utslippene som bidrar til klimaendringer.

De mest vanlige biologisk nedbrytbare plastene som nå er tilgjengelige, er avledet fra stivelse eller cellulose, inkludert polylaktid (PLA), poly‑3‑hydroksybutyrat (PHB) og polyhydroksialkanoater (PHA). Disse materialene brukes ofte i drikke‑, farmasøytisk, personlig‑ og husholdningspleieindustri, da de er resirkulerbare og biologisk nedbrytbare.

Utover emballasje kan biologisk nedbrytbare plast finne anvendelse i landbruksindustrien, hvor de kan brukes i mulch, som er ganske kostbart å resirkulere. Komposterbar mulch her ville eliminere behovet for å samle avfallet, da den ville forsvinne i løpet av noen måneder uten å etterlate mikroplast som ville vedvare i flere tiår.

Selv om det finnes mange fordeler og anvendelser, har biologisk nedbrytbare plast noen kompromisser i form av høyere kostnader og negative landbrukseffekter. Imidlertid kan fremvoksende biologiske og kjemiske metoder, teknologiske fremskritt, økonomiske insentiver og klare reguleringer bidra til storskalig anvendelse av bioplast og skape en bærekraftig påvirkning.

Derfor undersøker forskere aktivt bedre materialer og renere produksjonsmetoder for forbedrede egenskaper og neste generasjons anvendelser. Med 43,5 % leder Europa for tiden den kommersielle produksjonen av bioplast, som er projisert å nå 7,6 millioner tonn innen 2026.

Konklusjon

Etter år med studier er det nå godt kjent at mikroplast akkumuleres i alle fysiske miljøer, som vannkropper, jord og nedbør, og de er til og med spredt i luften. På grunn av deres allestedsnærvær er mikroplast nå en del av næringskjeden, og bevis tyder på at de kan forårsake betydelig skade på mennesker, dyr og økosystemer.

Dette har drevet forskning på biologisk nedbrytbare materialer, som gir et mer miljøvennlig alternativ til tradisjonell plast. I tillegg til utviklingen av nye materialer pågår arbeidet med å implementere universelle standarder. Videre er det behov for atferdsendringer mot mindre plastbruk og økt bruk av produkter laget av bioplast.

Sammen har de absolutt potensialet til å ha en positiv innvirkning ved å dempe plastavfallskrisen og karbonutslippene. Det er imidlertid viktig å merke seg at selv biologisk nedbrytbar plast trenger riktige komposteringsforhold for å leve opp til sitt løfte. Totalt sett gjør vi gradvise skritt mot en grønnere fremtid.

Klikk her for listen over de fem beste bioplastbedriftene.