Miljövänliga alternativ till plast – nyckeln till hållbarhetsinsatser: Är biologiskt nedbrytbara plaster en lösning?

Förekomsten och ackumuleringen av mikroplaster i vårt ekosystem är väl dokumenterad, och nyare bevis tyder på att de har skadliga effekter på olika biologiska processer. När vi fortsätter att upptäcka mikroplaster i våra lungor, artärer och till och med i placentorna, lär vi oss fortfarande om deras påverkan på miljön och människors hälsa. 

Det är den utbredda användningen av plast av människor som har lett till mikroplaster, som tenderar att bestå i miljön. Mikroplaster är små fragment, vanligtvis mellan 5 millimeter (mm) och 500 mikrometer (µm) i storlek, som lossnar från vardagliga plastprodukter. 

Dessa partiklar härstammar från flaskor, påsar, förpackningar och andra plastkällor, samt från däckslitage, syntetiska textilier och mikropärlor från personligvårdsprodukter. Mikroplaster bildas vanligtvis genom en rad fysiska och kemiska processer, inklusive nötning, UV-nedbrytning, tillverkningsprocesser och fysisk eller kemiskt inducerad fragmentering.

Ansamlingen av mikroplaster i den naturliga miljön, inklusive hav, nederbörd och jord, beror på den kemiska naturen hos petroleumbaserade plastpolymerer. Dessa polymerer är stora molekyler som består av många mindre, så kallade monomerer. Dessa allmänt använda plaster är vanligtvis otillgängliga för biologisk bearbetning. 

Eftersom de är nästan odödliga och tar från årtionden till århundraden att brytas ner, finns ett växande behov av ett alternativ till traditionella petroleumbaserade plaster och mikroplaster. Ett svar på detta är att utveckla plaster som inte genererar bestående mikroplaster som en del av deras normala livscykel. 

Även om plast samlas in och återvinns på rätt sätt, genererar den fortfarande mikroplaster som en del av normalt slitage från daglig användning eller som en följd av återvinnings- eller tvättprocesser. För att förhindra detta måste vi utveckla nya plastmaterial som är helt biologiskt nedbrytbara, vilket innebär att de snabbt bryts ner av levande organismer i miljön.

Så, för att hjälpa till med detta, en ny studie av Algenesis Corporation och forskare och professorer vid University of California San Diego skapade en växtbaserad polymer som bryts ner på mikroplastnivå inom sju månader.

Biologisk nedbrytning är den process där polymerer bryts ner till enklare molekyler av mikrober. Dessa molekyler kan sedan användas som en koldioxidkälla för att producera biomassa. För att detta ska ske måste polymeren ha kemiska bindningar, främst i sin primära ryggradstruktur.

Detta beror på att de då är fysiskt tillgängliga för enzymer som naturligt känner igen dessa bindningar som substrat. De underliggande monomermolekylerna som frigörs genom denna enzymatiska klyvning kan sedan konsumeras av mikroorganismer.

I vår naturliga miljö utförs hela denna process vanligtvis av en grupp mikrober såsom bakterier och svampar. Dessa mikrober utsöndrar hydrolytiska enzymer som bryter polymeren för att frigöra olika oligomerer och monomerer som kan användas av mikrober som en kolnutrientkälla. 

Katabolism av polymeravledda monomerer och oligomerer sker därefter, vilket innebär nedbrytning av komplexa molekyler. Denna process resulterar i produktion av organismens biomassa och CO2 via respiration.  

Saken är att även om biobaserade material kan härröras från naturliga förnybara källor, så gör deras begränsade nedbrytbarhet att de kvarstår i miljön. Dessutom kan denna beständighet bero på kemisk bearbetning som gör dem otillgängliga för biologisk klyvning.

Biologiskt nedbrytbara material kan faktiskt produceras från petroleum och andra fossila resurser eftersom nedbrytbarhet beror på materialets egenskaper snarare än dess källa.

Att uppnå det omöjliga

Studien, som fick finansieringsstöd från Department of Energy (DOE), syftar till att hitta biologiskt nedbrytbara ersättningar för material som redan finns. Att hitta material som inte samlas i miljön är dock “inte lätt,” sade medförfattare Michael Burkart, som också är medgrundare av Algenesis. 

Materialvetenskapsföretagets patenterade Soleic™-teknik är världens första förnybara, helt biologiskt nedbrytbara och högpresterande plastmaterial tillverkat av växter. Algenesis använder sin materialteknik för att producera skor, surfbrädor och fotbeklädnad. Enligt Burkart, professor i kemi och biokemi vid UC San Diego:

“Vi håller just på att börja förstå konsekvenserna av mikroplaster. Vi har bara skrapat på ytan av de miljö- och hälsoeffekter som finns.” 

När de talar om sitt arbete, medförfattare och medgrundare av Algenesis Robert Pomeroy, som, likt Burkart, har en aktiepost i företaget och är professor i kemi och biokemi, påpekade att de först skapade algebaserade polymerer för mer än ett halvt decennium sedan. De förstod att denna polymer skulle vara helt biologiskt nedbrytbar, kapabel att “försvinna i komposten.” 

För första gången fick dock teamet möjlighet att mäta den på mikropartikelnivå. För detta malde de materialet till fina mikropartiklar, och för att bekräfta att det spreds av mikrober använde teamet tre olika mätverktyg.

En respirometer var det första verktyget, som användes för att mäta koldioxid (CO2) som släpps när materialet bryts ner av mikrober. När man jämför nedbrytningen av cellulosa med branschstandarden på hundra procent biologisk nedbrytbarhet visade resultaten att den växtbaserade polymeren matchar cellulosa med nästan 100%.

Det andra verktyget som användes var vattenflytning, en metod som utnyttjar det faktum att plaster är olösliga och flyter på vattenytan, vilket gör dem lätta att avlägsna från ytan. Tester utförda med intervaller på 90 och 200 dagar visade att nästan alla petroleumbaserade mikroplaster återfanns. I kontrast återfanns endast 32% av algebaserade mikroplaster efter nio dagar och endast 3% efter 200 dagar, vilket visar att de är starkt biologiskt nedbrytbara.

I den kemiska analysen med gas kromatografi/masspektrometri (GCMS) upptäcktes närvaron av monomerer, vilket indikerar att polymeren bryts ner till sina ursprungliga växtmaterial.

“Detta material är den första plasten som demonstrerats att inte skapa mikroplaster när vi använder den.” 

– Medförfattare Stephen Mayfield, medgrundare av Algenesis

Han tillade vidare:

“Detta är mer än bara en hållbar lösning för produktens livscykel och våra överfulla deponier. Detta är faktiskt plast som inte kommer att göra oss sjuka.” 

Även om betydande framsteg har gjorts är detta bara början. Nästa steg innebär att anpassa det nya materialet för användning med befintlig tillverkningsutrustning som är byggd för traditionell plast. För detta har Algenesis säkrat partnerskap med flera företag för att tillverka produkter med växtbaserade polymerer. Dessa samarbeten inkluderar Trelleborgs användning av algebaserade polymerer i belagda tyger och produktionen av mobiltelefonfodral med RhinoShield.

Enligt Burkart:

“När vi påbörjade detta arbete fick vi höra att det var omöjligt. Nu ser vi en annan verklighet. Det finns mycket arbete kvar, men vi vill ge människor hopp. Det är möjligt.” 

Är biologiskt nedbrytbara plaster framtiden?

Som vi kan se genomgår plastsektorn en omvandling. Detta är viktigt eftersom plast utgör cirka 14% av vårt avfall, och den stora majoriteten hamnar i havet. Statistiskt sett producerar vi för närvarande över 350 miljoner metriska ton plastavfall per år, vilket beräknas nå en miljard metriska ton år 2060 om inga förändringar görs i nuvarande politik.

När man ser på livscykeln för de flesta plastmaterial visar det att 79 % av all producerad plast dumpas på deponier eller hamnar i miljön, medan endast 12 % förbränns och 9 % återvinns. Trots en betydande ökning av återvinning under de senaste fyra decennierna har återvinning av icke-fibrerad plast fastnat på 18 %, med nästan ingen återvinning av textilfibrer. Denna stagnation beror i stor utsträckning på begränsningarna i den dominerande återvinningsformen, som handlar om att omvandla plastavfall till nya former genom värme & mekanisk kraft, där ingångskvaliteten är viktig.

Mot denna bakgrund tar allt fler företag runt om i världen steg för att minska användningen av konventionell plast och ersätta den med mer hållbara och miljöansvariga alternativ.

Biologiskt nedbrytbara plaster omfattar bioplaster vars komponenter härrör från förnybara råmaterial samt plaster med biologiskt nedbrytbara tillsatser för att förbättra deras nedbrytning.

Bioplaster tillverkas vanligtvis av bio-baserade polymerer och kan bidra till mer hållbara kommersiella plastlivscykler. Här tillverkas polymerer av förnybara eller återvunna råmaterial. Biobaserade plaster har ofta ett lägre koldioxidavtryck jämfört med fossila plaster. De uppvisar också fördelaktiga materialegenskaper och kan dessutom vara kompatibla med befintliga återvinningsflöden.

Allt detta, tillsammans med ökad medvetenhet, forskning och investeringar i plastindustrin, har lett till en ökande närvaro av biologiskt nedbrytbara plaster i vårt dagliga liv.

Även om vi är långt ifrån att på ett meningsfullt sätt avlägsna konventionell plast från våra liv, görs många uppmuntrande steg. Detta inkluderar att hitta biologiskt nedbrytbara material för att tillverka produkter. Naturligtvis är det svårt att ersätta plast i många tillämpningar, men inom en snar framtid kommer många produkter att tillverkas på ett mer miljövänligt sätt.

Miljövänliga produkter har fått mest popularitet inom livsmedelsförpackningssektorn, som står för cirka 39 % av den totala plastproduktionen. Detta tydliggör den stora potentialen för biologiskt nedbrytbara plaster i branschen. Till exempel, beroende på produkt, kan plastflaskor ersättas med biologiskt nedbrytbara material, med tillämpningar inte bara inom livsmedelsförpackning utan även inom nutraceuticals.

Matbrickor är ett annat bra exempel (förutom skedar, teskedar, gafflar och koppar) där användning av biologiskt nedbrytbara material kan göra det möjligt att slänga både behållaren och dess innehåll i en enda soptunna. Andra produkter som omfamnar biologiskt nedbrytbara material inkluderar kaffekapslar, påsar för frukt och grönsaker samt soppåsar.

Biologiskt nedbrytbara plaster erbjuder ett brett spektrum av möjligheter för tillverkning av en mångfald av förpackningar samtidigt som de bättre tillgodoser behoven i många förpackningsapplikationer, såsom flexibilitet, tryckbarhet och förbättrade barriäregenskaper.

Senaste data indikerar att den globala marknaden för biologiskt nedbrytbara förpackningar har enorm tillväxtpotential; år 2022 var den värderad till cirka 87 miljarder dollar, och fram till 2029 förväntas den expandera med en CAGR på 6,96 %. Och bland alla delsegment är plast den mest lukrativa och förväntas växa snabbare än någon annan materialtyp.

Speciellt har bioplast, ett lovande alternativ till petroleumbaserade polymerer, potentialen att minska både vårt beroende av fossila bränslen och de utsläpp som bidrar till klimatförändringarna.

De vanligaste biologiskt nedbrytbara plastarna som finns idag är härledda från stärkelse eller cellulosa, inklusive polylaktid (PLA), poly-3-hydroxybutyrat (PHB) och polyhydroxyalkanoater (PHA). Dessa material används ofta inom dryckes-, läkemedels-, personlig- och hushållsvårdsindustrin, eftersom de är återvinningsbara och biologiskt nedbrytbara.

Utöver förpackningar kan biologiskt nedbrytbara plaster tillämpas inom jordbruksindustrin, där de kan användas som marktäckning, vilket är ganska dyrt att återvinna. Komposterbar marktäckning skulle här eliminera behovet av att samla in avfallet eftersom den försvinner på några månader utan att lämna mikroplaster som skulle bestå i årtionden.

Även om det finns många fördelar och tillämpningar har biologiskt nedbrytbara plaster nackdelar i form av högre kostnader och negativa jordbrukseffekter. Emellertid kan framväxande biologiska och kemiska metoder, tekniska framsteg, ekonomiska incitament och tydliga regleringar hjälpa till med storskalig tillämpning av bioplaster och skapa en hållbar påverkan.

Som sådan undersöker forskare aktivt bättre material och renare produktionsmetoder för förbättrade egenskaper och nästa generations tillämpningar. Med 43,5 % leder Europa för närvarande den kommersiella tillverkningen av bioplaster, vilket är prognostiserad att nå 7,6 miljoner ton år 2026. 

Slutsats

Efter år av studier är det nu välkänt att mikroplaster samlas i alla fysiska miljöer, såsom vattenkroppar, jord och nederbörd, och till och med sprids i luften. På grund av deras utbreddhet är mikroplaster nu en del av näringskedjan, och bevis tyder på att de kan orsaka betydande skada för människor, djur och ekosystem.

Detta har drivit forskningen på biologiskt nedbrytbara material, som erbjuder ett mer miljövänligt alternativ till traditionella plaster. Förutom utvecklingen av nya material pågår ansträngningar för att införa universella standarder. Dessutom behövs beteendeförändringar för att använda mindre plast och öka användningen av produkter tillverkade av bioplaster.  

Tillsammans har de definitivt potential att skapa en positiv påverkan genom att mildra plastavfallskrisen och koldioxidutsläppen. Det är dock viktigt att notera att även biologiskt nedbrytbar plast kräver rätt komposteringsförhållanden för att leva upp till sitt löfte. Sammantaget gör vi gradvisa steg mot en grönare framtid.

Klicka här för listan över de fem bästa bioplastföretagen.