Artificiell fotosyntes och biologisk nedbrytbarhet: Bekämpa plastplågan med hållbarhet i åtanke

CO2-utsläpp och förekomsten av icke‑nedbrytbara plaster på jorden är båda faror som orsakar oåterkallelig skada. Betydligt är att koldioxid, som en växthusgas, värmer planeten och så småningom leder till klimatförändringar. 

Denna uppvärmningseffekt understryks av NASAs uppskattningar, som visar att mänskliga aktiviteter har höjt atmosfärens koldioxidinnehåll med 50 % på mindre än 200 år. Situationen förvärras ytterligare av icke‑nedbrytbara plaster från material som skumplast, engångsplastpåsar och plastflaskor, vilka utgör ett allvarligt hot genom att förorena grundvattnet, livsmedelskedjan och luften. atmosfärens koldioxidinnehåll 

Genom att ta itu med dessa sammankopplade utmaningar har forskare från Osaka Metropolitan University nu utvecklat ett genombrott som hanterar båda problemen via en enda metod. De har tagit fram ett innovativt och effektivt sätt att producera fumarinsyra som både minskar koldioxidutsläppen och återanvänder avfallet för att tillverka biologiskt nedbrytbara plaster. Låt oss gå djupare in i vad denna innovation innebär och hur den fungerar.

Klicka här för att lära dig om förebyggande eller behandling är bättre för att hantera atmosfärisk CO2.

Hållbar produktion av fumarinsyra

Fumarinsyra är en komponent i biologiskt nedbrytbara plaster. Den framställs traditionellt från petroleum, koldioxid och biomassa‑avledda föreningar. Nu har forskarna tagit fram en lösning där man kan producera fumarinsyra på ett hållbart och effektivt sätt. Det har gjorts två studier mot samma mål. 

I den första visade ett forskarteam lett av professor Yutaka Amao vid forskningscentret för artificiell fotosyntes på Osaka Metropolitan University (OMU) hur man kan syntetisera fumarinsyra från bikarbonat och biomassa‑avledd pyruvsyra. Energin som användes i processen var förnybar solenergi. 

Forskarnas lyckades även producera fumarinsyra med koldioxid som råmaterial, direkt från gasfasen. Experimentet hade dock en begränsning: det kunde inte producera en betydande mängd fumarinsyra. Avkastningen förblev låg. 

I den följande forskningen övervann forskarna utmaningen. De utvecklade en ny fotosensitizer och gjorde framsteg inom artificiell fotosyntes som kunde dubbla avkastningen av fumarinsyra jämfört med traditionella metoder. 

Forskarna utvecklade ett effektivt sätt att producera synligt ljus‑driven fumarat från gasformig CO2 och pyruvat med ett system bestående av trietanolamin, katjonisk vattenlöslig zinkporfyrin, zink tetrakis(4‑N, N, N‑trimetylaminofenyl)porfyrin, pentametylcyklopentadienyl‑koordinerad rhodium(III) 2,2′‑bipyridyl‑komplex, NAD+, malatdehydrogenas (NAD+-beroende oxalacetat‑dekarboxylerande) och fumaras. 

Forskningen, med titeln “An effective visible-light-driven fumarate production from gaseous CO2 and pyruvate by the cationic zinc porphyrin-based photocatalytic system with dual biocatalysts”, stöddes av Institute of Fermentation, Osaka. 

Sammanfattningsvis har forskningen empiriskt visat att det är möjligt att tillverka en avancerad katalysator för artificiell fotosyntes som kan använda koldioxid mer effektivt vid produktion av biologiskt nedbrytbara plaster. 

Men om vi tänker vidare och försöker bedöma varför artificiell fotosyntes och dess bidrag till hållbar och effektiv produktion av biologiskt nedbrytbara plaster ses som ett genombrott, så ser vi att plaster har varit ett hot, och varje ansträngning att göra dem hållbart producerade och nedbrytbara bör uppskattas och uppmuntras. 

En av de mest allvarliga plastrelaterade skadorna på planeten orsakas av mikroplaster. United States National Oceanic and Atmospheric Administration definierar mikroplaster som små plastbitar som är mindre än fem millimeter långa och som skadar vår hälsa, haven och det marina livet. Kategorin omfattar även plaster som avsiktligt är designade att vara små. De kallas mikroperlor och används i många hälso‑ och skönhetsprodukter. Dessa mikroplaster medför flera skadliga konsekvenser. 

Mikroplaster kommer in i vår kropp genom olika vägar, inklusive vattnet vi dricker, maten vi konsumerar och matbehållarna vi använder, vilka alla är kanaler för oral intag av mikroplaster. Dessutom inhalerar vi mikroplaster via luften, och våra personliga hygienprodukter och mobiltelefonfodral, som innehåller mikroplaster, ger möjligheter för dem att komma i kontakt med oss. 

När de väl är inne i människokroppen kan dessa mikroplaster orsaka en rad hälsoproblem. De är kända för att framkalla oxidativ stress och DNA-skador, leda till metabola störningar och orsaka dysfunktioner i viktiga organ som lever, tarmar, hjärna och luftvägar. Dessutom kan toxiciteten hos mikroplaster skada våra reproduktions‑ och utvecklingsförmågor, vilket visar på allvaret i deras påverkan på människors hälsa. 

Problemet med mikroplaster sträcker sig bortom människors hälsa, eftersom dessa partiklar även skadar marint liv. De har en toxisk effekt på fiskar och andra vattenlevande organismer, hämmar deras tillväxt och utveckling, ökar dödligheten, orsakar inflammation, minskar simhastigheten, reducerar vitalitet och kroppslängd samt ger tarmskador. Denna evidens understryker det akuta behovet av att åtgärda och stoppa föroreningarna av vår miljö med mikroplaster. 

Mot bakgrund av detta har nyliga undervattensdykundersökningar framhävt det akuta behovet av innovativa avfallsinsamlingslösningar. Till exempel avslöjade en banbrytande undersökning utförd av forskare från Desert Research Institute på Lake Tahoes sjöbotten ett alarmerande genomsnitt på 83 plastföremål per kilometer, utan någon sträcka av sjöbotten som var fri från plastavfall. Vanliga föremål som identifierades inkluderar matbehållare, flaskor, plastpåsar och leksaker, med de sex vanligaste plasttyperna som polyvinylklorid (PVC), polystyren, polyester/polyetentereftalat, polyeten, polypropen och polyamid. 

Medan flera lösningsleverantörer som erbjuder livskraftiga alternativ för att rengöra plast under vatten finns, är forskarna också intresserade av att utvärdera potentialen hos ett ”hållbarhetsmått” för att minska plastföroreningar. Forskare vid Woods Hole Oceanographic Institution utvecklade ett hållbarhetsmått för den ekologiska designen av plastprodukter som har låg beständighet i miljön. Forskarna tror att detta mått kan ge miljömässiga och samhälleliga fördelar. 

Studien visade ett innovativt och uppfinningsrikt sätt att bekämpa plastföroreningarnas hot. Tillvägagångssättet kan liknas vid de sociala påverkningsredovisningar vi är bekanta med. Den jämförde index för plastens miljöpåverkan samt deras ersättare och visade att redovisning av plastens miljöbeständighet och effektiv ersättning kan innebära vinster på hundratals miljoner dollar för en enskild konsumentprodukt. 

“Det viktiga att fastställa är hur vi kan designa funktionella, hållbara och ofarliga material, produkter och processer som förkroppsligar alla principer för grön materialteknik i den framtida värld vi kommer att leva i.”

“Det viktiga att fastställa är hur vi kan designa funktionella, hållbara och ofarliga material, produkter och processer som förkroppsligar alla principer för grön materialteknik i den framtida värld vi kommer att leva i.”

Sammanfattningsvis har framställning av plaster som är tillräckligt biologiskt nedbrytbara och identifiering av lämpliga alternativ för dem hållit den vetenskapliga och teknologiska gemenskapen upptagen. Det finns många företag, stora och små, som aktivt arbetar inom detta område.  

#1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group har varit en aktiv deltagare inom detta område under en längre tid. Som medlem i Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), som etablerades i oktober 2012, deltog Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) i ett artificiellt fotosyntesprojekt som genomfördes av New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Sedan dess har Mitsubishi drivit utvecklingen för att uppnå högre effektivitet och optimering av processen. 

Det handlade om hållbar produktion av fumarinsyra i den forskning vi presenterade som inledning till vår diskussion. Mitsubishi Chemical Groups insatser är dock inriktade på att producera olefin. 

I denna process spelar en syntetisk katalysator en avgörande roll genom att möjliggöra reaktionen mellan separerat väte och koldioxid. Mitsubishis innovativa arbete med att utveckla en lämplig katalysator och förfina de nödvändiga processteknologierna har avsevärt förbättrat avkastningen, vilket gör olefinproduktionen mer effektiv. 

Som ett resultat har olefin blivit ett effektivt producerat råmaterial för att skapa plaster, vilket visar Mitsubishis bidrag till att främja hållbara tillverkningsmetoder inom den kemiska industrin. 

Green Innovation Project, som drivs av NEDO, valde Mitsubishis kommersiella utveckling av kemiska råmaterial baserade på artificiell fotosyntes för finansiering i februari 2022. 

I senare utvecklingsstadier kommer processen att omvandla råmaterial från petroleum och hjälpa till att utveckla plastproduktions‑teknik som utnyttjar koldioxid genom att använda petrokemisk tillverkningsteknik, katalysatorutvecklingsteknik och andra teknologier som företaget har utvecklat i samarbete med universitet och forskningsinstitut. 

Mitsubishi Corporation publicerade en integrerad rapport för räkenskapsåret som avslutades den 31 mars 2023. Företaget tjänade mer än 159 miljarder US‑dollar.

#2. Evonik and Siemens

I det som kallas teknisk fotosyntes använder två företag, Evonik och Siemens, förnybar energi och bakterier för att omvandla koldioxid till specialkemikalier. Företagen utför detta under ett gemensamt forskningsprojekt kallat Rheticus. Den första fasen av forskningen resulterade i produktionen av kemikalier såsom butanol och hexanol, som båda är råvaror för specialplaster och kosttillskott. 

Enligt Dr. Thomas Haas, ansvarig för projektet i Evoniks strategiska forskningsavdelning Creavis: 

“Med Rheticus‑plattformen vill vi demonstrera att artificiell fotosyntes är genomförbar.”

För att förverkliga detta påstående bidrar både Evonik och Siemens enligt sina kärnkompetenser. Till exempel förstärker Siemens processen med elektrolysteknik, som i första steget kommer att omvandla koldioxid och vatten till väte och kolmonoxid med hjälp av elektricitet. 

Evoniks bidrag syftar till att stärka fermenteringsprocessen, där gaser som innehåller kolmonoxid omvandlas till användbara produkter genom metaboliska processer som underlättas av speciella mikroorganismer. 

När han utvecklade dess potential att hjälpa plast- och specialkemikalieindustrin sade Dr. Haas:

“Dess modulära karaktär och flexibilitet när det gäller plats, råmaterialkällor och tillverkade produkter gör den nya plattformen särskilt attraktiv för specialkemikalieindustrin. Vi är övertygade om att andra företag kommer att använda plattformen och integrera den med sina egna moduler för att tillverka sina kemiska produkter.”

Enligt de senaste tillgängliga årsredovisningarna registrerade Evonik Group en omsättning på nästan 18,5 miljarder euro år 2022. Av denna intäkt bidrog specialtillsatser samt nutrition & care med 23 % vardera. Intäkter från smarta material utgjorde 26 % av omsättningen, medan prestationsmaterial bidrog med 20 % och teknik‑ och infrastrukturprodukter samt tjänster med 8 %. 

Under räkenskapsåret 2023 registrerade Siemens en årlig omsättning på nära 22 miljarder euro, en betydande ökning från 19,5 miljarder euro som registrerades år 2022. 

Plaster och vår resa mot hållbarhet

Genom gemensamma insatser måste vi säkerställa att vi tar rätt steg mot en framtid fylld med bioplaster, som antingen är biologiskt nedbrytbara plaster eller biobaserade material, och som får sin energi från förnybara resurser. Dessa bioplaster, när det gäller hållbarhet och användbarhet, är inte mindre än konventionella plaster. De kan bearbetas med vanliga plastmaskiner och lagras i traditionella lager, vilket effektivt eliminerar behovet av resursöverskott. 

Om vi misslyckas med att hitta ett livskraftigt alternativ till plastavfallsproblemet skulle det leda till allvarliga faror för flera länder världen över. Sydostasien har till exempel redan blivit en ”hotspot” för plastföroreningar, en situation som förvärras av snabb urbanisering och en växande medelklass. Detta förvärras ytterligare av bristande infrastruktur, vilket har resulterat i låg effektivitet för återvinningsbara plaster. 

Denna problematik med felaktig avfallshantering har förvärrats ytterligare under covid‑perioden på grund av konsumtionen av ansiktsmasker, sanitetsflaskor och förpackningar för online‑leveranser. Enligt data från Världsbanken har mer än 75 % av det materialvärde som återvinningsbara plaster kan ha i länder som Thailand, Filippinerna och Malaysia förlorats – motsvarande 6 miljarder dollar per år när engångsplast kastas bort istället för att återvinnas. 

Mot bakgrund av sådan avfallsmisskötsel och otillräcklig infrastruktur framträder bioplaster som det mest effektiva alternativet som är oberoende av sådana missförhållanden. Dessutom stödjer bioplaster våra hållbarhetsinsatser eftersom de är mindre beroende av konventionella fossila bränslen. Användning av biologiskt nedbrytbara plaster innebär också förbättrade slutlivsscenarier för avfallshantering och återvinning. 

Ändå är andelen bioplaster fortfarande mycket lägre än vad den bör vara för att vår framtid fullt ut ska kunna förlita sig på hållbara metoder. Enligt en uppskattning är andelen bioplaster av de 367 miljoner ton plast som produceras globalt varje år fortfarande under en procent. Det förväntas dock uppvisa betydande tillväxt under de kommande åren inom en rad tillämpningsområden, inklusive förpackningar, konsumentvaror, bygg- och anläggning, fordons- och transportsektorn, textilier, jordbruk och trädgårdsbruk, el‑ och elektronik, beläggningar och lim, med mera. 

Banbrytande forskningsstödda teknologier, såsom artificiell fotosyntes och hållbar produktion av plastkomponenter drivna av förnybara energikällor, kommer att ha en betydande inverkan på hur vi hanterar plast. Dessa processer kommer inte bara att innebära mer miljövänliga plaster utan även ett produktions‑ekosystem som är hållbart och nästan utsläpps‑fritt.