Artipisyal na Fotosintesis at Biodegradabilidad: Labanan ang Banta ng Plastik na may Pagtuon sa Kapanatagan

Ang paglabas ng CO2 at ang pag-iral ng mga hindi nabubulok na plastik sa Daigdig ay parehong mga panganib na nagdudulot ng hindi na mababawi na pinsala. Mahalaga, ang carbon dioxide, bilang isang greenhouse gas, ay nagpapainit sa planeta at sa huli ay nagreresulta sa pagbabago ng klima.

Ang epekto ng pag-init na ito ay binibigyang-diin ng mga pagtatantiya ng NASA, na nagpapakita na ang mga gawain ng tao ay nagtaas ng nilalaman ng carbon dioxide sa atmospera ng 50% sa loob ng mas mababa sa 200 taon. Lalo pang pinalalala ang sitwasyon ang mga hindi nabubulok na plastik na nagmula sa mga materyales tulad ng styrofoam, mga disposable na plastik na bag, at mga plastik na bote ng tubig, na nagdudulot ng isa pang malubhang banta dahil kinakalat nila ang tubig-ubasan, ang kadena ng pagkain, at nagpaparumi sa hangin.

Sa pagharap sa mga magkaugnay na hamong ito, ang mga mananaliksik mula sa Osaka Metropolitan University ay nakabuo na ng isang makabagong solusyon na tinutugunan ang parehong hamon sa iisang paraan. Lumitaw ito bilang isang makabago at epektibong paraan upang makagawa ng fumaric acid na magbabawas ng antas ng paglabas ng carbon dioxide habang muling ginagamit ang basura upang makagawa ng nabubulok na plastik. Tingnan natin nang mas malalim kung ano ang ibig sabihin ng inobasyong ito at kung paano ito gumagana.

I-click dito upang malaman kung mas mainam ang pag-iwas o paggamot sa pagharap sa atmospheric CO2.

Napapanatiling Produksyon ng Fumaric Acid

Ang fumaric acid ay isang sangkap ng nabubulok na plastik. Tradisyonal itong nagmumula sa petrolyo, carbon dioxide, at mga compound na nagmula sa biomass. Ngayon, nakabuo ang mga mananaliksik ng solusyon kung saan maaaring gumawa ng fumaric acid nang napapanatili at mahusay. May dalawang pag-aaral patungo sa parehong layunin.

Sa unang pag-aaral, isang pangkat ng pananaliksik na pinamunuan ni Propesor Yutaka Amao ng Research Center for Artificial Photosynthesis sa Osaka Metropolitan University (OMU) ay nagpakita ng mga paraan ng pagsintesis ng fumaric acid mula sa bicarbonate at pyruvic acid na nagmula sa biomass. Ang enerhiyang ginamit sa proseso ay renewable na solar energy.

Nagtagumpay din ang mga siyentipiko sa paggawa ng fumaric acid gamit ang carbon dioxide na nagsilbing hilaw na materyal sa proseso, na direktang nagmula sa gas phase. Gayunpaman, may isang limitasyon ang eksperimento. Hindi ito nakagawa ng malaking dami ng fumaric acid. Manatiling mababa ang produksyon.

Sa susunod na pananaliksik, nalampasan ng mga siyentipiko ang hamon. Nakabuo sila ng bagong photosensitizer at nagpatuloy ng mga pag-unlad sa artipisyal na fotosintesis na maaaring doblehin ang ani ng fumaric acid kumpara sa tradisyunal na mga pamamaraan.

Nabuo ng mga siyentipiko ang isang epektibong paraan upang gumawa ng fumarate na pinapagana ng liwanag na nakikita mula sa gaseous CO2 at pyruvate gamit ang sistemang binubuo ng triethanolamine, cationic water-soluble zinc porphyrin, zinc tetrakis(4-N, N, N-trimethyl aminophenyl)porphyrin, pentamethylcyclopentadienyl coordinated rhodium(III) 2,2′-bipyridyl complex, NAD+, malate dehydrogenase (NAD+-dependent oxaloacetate-decarboxylating) at fumarase.

Ang pananaliksik, na pinamagatang “An effective visible-light-driven fumarate production from gaseous CO2 and pyruvate by the cationic zinc porphyrin-based photocatalytic system with dual biocatalysts,” ay sinuportahan ng Institute of Fermentation, Osaka.

Sa pangkalahatan, napatunayan ng pananaliksik na posible ang paggawa ng advanced na artipisyal na fotosintesis na katalista na maaaring gamitin ang carbon dioxide nang mas epektibo sa paggawa ng nabubulok na plastik.

Ngunit, kung iisipin pa natin at susuriin kung bakit itinuturing na isang breakthrough ang artipisyal na fotosintesis at ang ambag nito sa napapanatili at epektibong paggawa ng nabubulok na plastik, makikita natin na ang plastik ay naging isang panganib, at anumang pagsisikap na gawing napapanatiling nabubulok ito ay dapat pahalagahan at hikayatin.

Isa sa pinakamabigat na pinsalang dulot ng plastik sa planeta ay ang microplastics. Ang United States National Oceanic and Atmospheric Administration nagbibigay ng kahulugan sa microplastics bilang maliliit na piraso ng plastik na mas mababa sa limang milimetro ang haba at nagdudulot ng pinsala sa ating kalusugan, karagatan, at buhay-dagat. Kasama rin sa kategoryang ito ang mga plastik na sadyang dinisenyo upang maging maliit. Tinatawag na microbeads, ginagamit ang mga ito sa maraming produktong pangkalusugan at kagandahan. Ang mga microplastics na ito ay may ilang mapanganib na implikasyon.

Pumasok ang Microplastics sa ating katawan sa iba’t ibang paraan, kabilang ang tubig na iniinom natin, ang pagkain na kinokonsumo, at ang mga lalagyan ng pagkain na ginagamit, na lahat ay mga daan ng pag-inom ng microplastic. Dagdag pa, humihinga tayo ng microplastics mula sa hangin, at ang ating mga produktong pangpersonal na pangangalaga at mga case ng mobile phone, na naglalaman ng microplastics, ay nagbibigay daan para sa kanila na makontak ang ating katawan.

Kapag nasa loob na ng katawan ng tao, ang mga microplastics ay maaaring magdulot ng maraming isyu sa kalusugan. Kilala silang nagdudulot ng oxidative stress at pinsala sa DNA, nagdudulot ng metabolic disorders, at nagdudulot ng dysfunction sa mahahalagang organ tulad ng atay, bituka, utak, at mga daanan ng hangin. Bukod pa rito, ang toxicity ng microplastics ay maaaring makasira sa ating kakayahang magparami at umunlad, na nagpapakita ng tindi ng kanilang epekto sa kalusugan ng tao.

Ang isyu ng microplastics ay hindi lamang limitado sa kalusugan ng tao, dahil ang mga particle na ito ay nakakasira rin sa buhay-dagat. Nagdudulot ito ng toxic effect sa isda at iba pang organismo sa tubig, na humahadlang sa kanilang paglaki at pag-unlad, nagpapataas ng mortality rate, nagdudulot ng pamamaga, nagpapababa ng bilis ng paglangoy, nagbabawas ng sigla at haba ng katawan, at nagdulot ng pinsala sa bituka. Ang ebidensyang ito ay nagpatibay sa kagyat na pangangailangan na tugunan at itigil ang polusyon ng ating kapaligiran ng microplastics.

Sa liwanag nito, kamakailang mga pagsisiyasat sa ilalim ng dagat ay nagbigay-diin sa agarang pangangailangan para sa mga makabagong solusyon sa pangongolekta ng basura. Halimbawa, isang makasaysayang pagsisiyasat na isinagawa ng mga mananaliksik mula sa Desert Research Institute sa lakebed ng Lake Tahoe ay nagpakita ng nakakabahalang average na 83 na piraso ng plastik bawat kilometro, at walang isang bahagi ng lakebed ang natagpuang walang plastik na basura. Kabilang sa mga karaniwang natukoy na item ang mga lalagyan ng pagkain, bote, plastik na bag, at laruan, at ang anim na pinakakaraniwang uri ng plastik ay polyvinyl chloride (PVC), polystyrene, polyester/polyethylene terephthalate, polyethylene, polypropylene, at polyamide.

Habang maraming tagapagbigay ng solusyon na nag-aalok ng mga kapaki-pakinabang na alternatibo para linisin ang plastik sa ilalim ng dagat, interesado rin ang mga mananaliksik na suriin ang potensyal ng isang ‘sustainability metric‘ upang mapigil ang polusyon ng plastik. Ang mga mananaliksik mula sa Woods Hole Oceanographic Institution ay bumuo ng sustainability metric para sa ekolohikal na disenyo ng mga produktong plastik na may mababang persistence sa kapaligiran. Naniniwala ang mga mananaliksik na ang metric na ito ay maaaring maghatid ng mga benepisyo sa kapaligiran at lipunan.

Ipinakita ng pag-aaral ang isang makabago at malikhaing paraan upang harapin ang banta ng polusyon ng plastik. Ang pamamaraan ay maaaring ituring na medyo kahalintulad sa mga social impact accounting exercises na pamilyar sa atin. Inihambing nito ang mga indeks para sa environmental impact ng plastik pati na rin ang mga kapalit nito na nagpakita na ang pag-account para sa environmental persistence ng plastik at ang epektibong pagpapalit nito ay maaaring magdala ng daan-daang milyong dolyar na kita para sa isang consumer product.

Habang ipinaliwanag ang kahalagahan ng pag-aaral, sinabi ng pangunahing may-akda ng pag-aaral, si Bryan James, isang material scientist at engineer:

“Mahalagang matukoy kung paano natin ma-disenyo ang mga functional, napapanatili, at benign na materyales, produkto, at proseso na sumasaklaw sa lahat ng prinsipyo ng green materials engineering para sa hinaharap na mundong ating tatalirhan.”

Sa pangkalahatan, ang paggawa ng plastik na sapat na nabubulok at ang pagtukoy ng angkop na mga alternatibo para dito ay nagpapanatili sa komunidad ng siyentipiko at teknolohikal na abala. Maraming negosyo, malaki man o maliit, ang aktibong nagtatrabaho sa larangang ito.

#1. Mitsubishi Chemical Group

Ang Mitsubishi Chemical Group ay matagal nang aktibong kalahok sa larangang ito. Bilang miyembro ng Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem) na itinatag noong Oktubre 2012, ang Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) ay lumahok sa isang proyekto ng Artificial Photosynthesis na isinagawa ng New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Mula noon, patuloy na pinapabuti ng Mitsubishi ang kahusayan at pag-optimize ng proseso.

Ito ay tungkol sa napapanatiling paggawa ng Fumaric acid sa pananaliksik na ginamit natin bilang pambungad sa talakayan. Gayunpaman, ang mga pagsisikap ng Mitsubishi Chemical Group ay nakatuon sa paggawa ng Olefin.

Sa prosesong ito, ang isang synthetic catalyst ay may kritikal na papel sa pagpapahintulot ng reaksyon sa pagitan ng hiwalay na hydrogen at carbon dioxide. Ang makabago na gawain ng Mitsubishi sa pagbuo ng angkop na catalyst at pagpapabuti ng kinakailangang teknolohiya ng proseso ay malaki ang naitulong sa pagtaas ng ani, na ginagawang mas epektibo ang paggawa ng Olefin.

Bilang resulta, ang Olefin ay naging epektibong hilaw na materyal para sa paggawa ng plastik, na nagpapakita ng kontribusyon ng Mitsubishi sa pagpapalago ng napapanatiling mga kasanayan sa pagmamanupaktura sa industriya ng kemikal.

Ang Green Innovation Project, na pinamumunuan ng NEDO, ay pumili ng komersyal na pag-unlad ng Mitsubishi sa produksyon ng kemikal na hilaw na materyal batay sa artificial photosynthesis para sa pondo noong Pebrero 2022.

Sa mga susunod na yugto ng pag-unlad, ang proseso ay magko-convert ng mga hilaw na materyal mula sa petrolyo at tutulong sa pag-develop ng teknolohiya ng paggawa ng plastik gamit ang carbon dioxide sa pamamagitan ng paggamit ng teknolohiya ng petrochemical manufacturing, teknolohiya ng pag-develop ng catalyst, at iba pang teknolohiyang kanilang pinagyaman habang nakikipagtulungan sa mga unibersidad at institusyong pananaliksik.

Ang Mitsubishi Corporation naglathala ng integrated report para sa fiscal year na nagtatapos noong Marso 31, 2023. Ang kumpanya ay kumita ng higit sa US$159 bilyon.

#2. Evonik and Siemens

Sa tinatawag na technical photosynthesis, dalawang korporasyon, ang Evonik at Siemens, ay gumagamit ng renewable energy at bakterya upang i-convert ang carbon dioxide sa mga specialty chemicals. Isinasagawa ng mga korporasyon ang gawain na ito sa ilalim ng isang joint research project na tinatawag na Rheticus. Ang unang yugto ng pananaliksik ay nagpakita ng paggawa ng mga kemikal tulad ng butanol at hexanol, na parehong feedstock para sa mga espesyal na plastik at mga supplement sa pagkain.

Ayon kay Dr. Thomas Haas, na responsable sa proyekto sa strategic research department ng Evonik na Creavis:

“Sa platform na Rheticus, nais naming ipakita na ang artificial photosynthesis ay posible.”

Upang maisakatuparan ang pahayag na ito, parehong nag-aambag ang Evonik at Siemens alinsunod sa kanilang mga pangunahing kakayahan. Halimbawa, pinapalakas ng Siemens ang proseso gamit ang electrolysis technology, na gagamitin sa unang hakbang upang i-convert ang carbon dioxide at tubig sa hydrogen at carbon monoxide gamit ang kuryente.

Ang mga kontribusyon ng Evonik ay nakatuon sa pagpapalakas ng fermentation process, kung saan ang mga gas na naglalaman ng Carbon Monoxide ay iko-convert sa mga kapaki-pakinabang na produkto sa pamamagitan ng metabolic processes na pinadadali ng mga espesyal na mikroorganismo.

Habang ipinaliwanag ang potensyal nito na makatulong sa industriya ng plastik at specialty chemicals, sinabi ni Dr. Haas:

“Ang modular na katangian nito at ang flexibility sa lokasyon, mga pinagmumulan ng hilaw na materyales, at mga produktong ginagawa ay ginagawang kaakit-akit ang bagong platform para sa industriya ng specialty chemicals. Kumpiyansa kami na gagamitin ito ng ibang kumpanya at iintegrate ito sa kanilang sariling mga module upang gumawa ng kanilang mga produktong kemikal.”

Ayon sa pinakabagong magagamit na taunang financials, ang Evonik Group ay nagrehistro ng benta na halos 18.5 bilyong Euro noong 2022. Mula sa kita na ito, ang specialty additives at nutrition & care ay nag-ambag ng 23% bawat isa. Ang kita mula sa smart materials ay bumubuo ng 26% ng kabuuang kita, habang ang performance materials ay nag-ambag ng 20%, at ang technology at infrastructure products at services ay nag-ambag ng 8%.

Sa fiscal year 2023, ang Siemens ay nag-ulat ng taunang kita na halos 22 milyong Euro, isang malaking pagtaas mula sa 19.5 bilyong Euro na naitala noong FY 2022.

Plastik at Ang Ating Paglalakbay Patungo sa Kapanatagan

Sa pamamagitan ng sama-samang pagsisikap, kailangan nating tiyakin na ginagawa natin ang tamang hakbang patungo sa isang hinaharap na puno ng bioplastics, na maaaring biodegradable plastics o biobased materials mismo, na kumukuha ng enerhiya mula sa renewable resources. Ang mga bioplastics na ito, pagdating sa tibay at gamit, ay hindi bababa sa mga tradisyonal na plastik. Maaari silang iproseso gamit ang karaniwang makinang plastik at itago sa tradisyonal na mga bodega, na epektibong nag-aalis ng labis na paggamit ng mga mapagkukunan.

Ang kabiguan na makahanap ng epektibong alternatibo sa banta ng basura ng plastik ay magdudulot ng malubhang panganib para sa ilang bansa sa buong mundo. Ang Timog-silangang Asya, halimbawa, ay naging isang ‘hot spot’ para sa polusyon ng plastik, isang sitwasyon na pinalala ng mabilis na urbanisasyon at lumalaking middle class. Dagdag pa rito, ang kakulangan ng epektibong imprastruktura ay nagdulot ng mababang kahusayan sa pag-recycle ng plastik.

Ang isyung ito ng maling pamamahala ng basura ay lalong pinalala noong panahon ng COVID dahil sa pag-consume ng mga mask, bote ng sanitizer, at packaging ng online delivery. Ayon sa datos na inilahad ng World Bank, sa mga bansa tulad ng Thailand, Pilipinas, at Malaysia, higit sa 75% ng halaga ng materyal ng recyclable plastic ay nawawala – katumbas ng $6 bilyong taon kung ang single-use plastic ay itinatapon sa halip na i-recover at i-recycle.

Sa liwanag ng ganitong maling pamamahala ng basura at kakulangan ng imprastruktura, ang bioplastics ay lumilitaw bilang pinakaepektibong alternatibo na hindi apektado ng ganitong mga pagkukulang. Bukod pa rito, tumutulong ang bioplastics sa ating mga pagsisikap para sa kapanatagan dahil mas kaunti ang kanilang pag-asa sa tradisyonal na fossil fuels. Ang paggamit ng biodegradable plastics ay nangangahulugang mas pinabuting end-of-life scenario para sa pagtatapon at pag-recycle.

Gayunpaman, ang bahagi ng bioplastics ay nananatiling mas mababa kaysa dapat para sa ating hinaharap na ganap na nakasalalay sa napapanatiling paraan. Ayon sa isang pagtatantiya, sa 367 milyong tonelada ng plastik na nalilikha sa buong mundo bawat taon, ang bahagi ng bioplastics ay mas mababa pa sa isang porsyento. Subalit inaasahang makakaranas ito ng makabuluhang paglago sa mga darating na taon sa iba’t ibang larangan ng aplikasyon, kabilang ang packaging, consumer goods, building at construction, automotive at transport, textiles, agrikultura at horticulture, elektrisidad at electronics, coatings at adhesives, at iba pa.

Ang mga makabagong teknolohiyang sinusuportahan ng pananaliksik, tulad ng artificial photosynthesis at napapanatiling produksyon ng mga komponent ng plastik na pinapagana ng renewable energy sources, ay magkakaroon ng malaking epekto sa mga paraan ng pagharap sa plastik. Ang mga prosesong ito ay hindi lamang magdudulot ng mas maganda at environment-friendly na plastik kundi pati na rin ng isang production ecosystem na napapanatili at halos walang emisyon.