Bioplastics worden vaak aangeprezen als milieuvriendelijk, maar voldoen ze aan de hype?

De wereld heeft sinds de jaren vijftig meer dan negen miljard ton plastic geproduceerd. 165 miljoen ton ervan heeft onze oceaan verwoest, met bijna 9 miljoen ton meer die elk jaar de oceanen binnenkomt. Aangezien slechts ongeveer 9 procent van het plastic wordt gerecycled, veel van de rest vervuilt het milieu of zit op stortplaatsen, waar het tot 500 jaar kan duren om te ontbinden terwijl giftige chemicaliën in de grond worden uitgeloogd.

Traditioneel plastic wordt gemaakt van op aardolie gebaseerde grondstoffen. Sommigen zeggen dat bioplastics - gemaakt van 20 procent of meer hernieuwbare materialen - de oplossing kunnen zijn voor plasticvervuiling. De vaak genoemde voordelen van bioplastic zijn een verminderd gebruik van fossiele brandstoffen, een kleinere ecologische voetafdruk, en snellere ontbinding. Bioplastic is ook minder giftig en bevat geen bisfenol A (BPA), een hormoonverstoorder die veel voorkomt in traditionele kunststoffen.

Kartik Chandran, een professor in de afdeling Earth and Environmental Engineering aan de Columbia University die werkt aan bioplastics, is van mening dat in vergelijking met traditionele kunststoffen, "bioplastics zijn een aanzienlijke verbetering."

Echter, het blijkt dat bioplastics nog niet de wondermiddel zijn voor ons plasticprobleem.

Hoe biologisch afbreekbaar zijn bioplastics?

Omdat er vaak verwarring is als het over bioplastics gaat, laten we eerst enkele termen verduidelijken.

• Afbreekbaar – Al het plastic is afbreekbaar, zelfs traditioneel plastic, maar alleen omdat het kan worden afgebroken tot kleine fragmenten of poeder, wil nog niet zeggen dat de materialen ooit naar de natuur zullen terugkeren. Sommige toevoegingen aan traditionele kunststoffen zorgen ervoor dat ze sneller worden afgebroken. Foto-afbreekbaar plastic breekt gemakkelijker af in zonlicht; onder invloed van zuurstof afbreekbare kunststof desintegreert sneller bij blootstelling aan warmte en licht.
• Biologisch afbreekbaar - Biologisch afbreekbaar plastic kan volledig worden afgebroken tot water, kooldioxide en compost door micro-organismen onder de juiste omstandigheden. "Biologisch afbreekbaar" houdt in dat de ontbinding in weken tot maanden plaatsvindt. Bioplastics die niet zo snel biologisch afbreekbaar zijn, worden "duurzaam, " en sommige bioplastics gemaakt van biomassa die niet gemakkelijk door micro-organismen kunnen worden afgebroken, worden als niet-biologisch afbreekbaar beschouwd.
• Composteerbaar - Composteerbaar plastic wordt biologisch afgebroken op een compostplaats. Micro-organismen breken het af tot koolstofdioxide, water, anorganische verbindingen en biomassa in hetzelfde tempo als andere organische materialen in de composthoop, laat geen giftige resten achter.

Soorten bioplastic

Bioplastics worden momenteel gebruikt in wegwerpartikelen zoals verpakkingen, containers, rietjes, tassen en flessen, en in niet-wegwerptapijt, kunststof leidingen, telefoon behuizingen, 3d printen, auto-isolatie en medische implantaten. De wereldwijde markt voor bioplastic zal naar verwachting groeien van $ 17 miljard dit jaar tot bijna $ 44 miljard in 2022.

Er zijn twee hoofdtypen bioplastics.

PLA (polyactinezuur) wordt meestal gemaakt van de suikers in maïszetmeel, cassave of suikerriet. Het is biologisch afbreekbaar, CO2-neutraal en eetbaar. Om maïs in plastic te veranderen, maïskorrels worden ondergedompeld in zwaveldioxide en heet water, waar de componenten worden afgebroken tot zetmeel, eiwit, en vezels. De korrels worden vervolgens gemalen en de maïsolie wordt gescheiden van het zetmeel. Het zetmeel bestaat uit lange ketens van koolstofmoleculen, vergelijkbaar met de koolstofketens in plastic uit fossiele brandstoffen. Sommige citroenzuren worden gemengd om een ​​polymeer met lange keten te vormen (een groot molecuul dat bestaat uit herhalende kleinere eenheden) dat de bouwsteen is voor plastic. PLA kan eruitzien en zich gedragen als polyethyleen (gebruikt in plastic films, verpakking en flessen), polystyreen (piepschuim en plastic bestek) of polypropyleen (verpakking, auto-onderdelen, textiel). Het in Minnesota gevestigde NatureWorks is een van de grootste bedrijven die PLA produceren onder de merknaam Ingeo.

PHA (polyhydroxyalkanoaat) wordt gemaakt door micro-organismen, soms genetisch gemanipuleerd, die plastic maken van organische materialen. De microben zijn verstoken van voedingsstoffen zoals stikstof, zuurstof en fosfor, maar gezien een hoog koolstofgehalte. Ze produceren PHA als koolstofreserves, die ze in korrels opslaan totdat ze meer van de andere voedingsstoffen hebben die ze nodig hebben om te groeien en zich voort te planten. Bedrijven kunnen dan de door microben gemaakte PHA oogsten, die een chemische structuur heeft die vergelijkbaar is met die van traditionele kunststoffen. Omdat het biologisch afbreekbaar is en levend weefsel niet schaadt, PHA wordt vaak gebruikt voor medische toepassingen zoals hechtingen, slingers, botplaten en huidvervangers; het wordt ook gebruikt voor voedselverpakkingen voor eenmalig gebruik.

De bijwerkingen van de productie van bioplastic

Hoewel bioplastics over het algemeen als milieuvriendelijker worden beschouwd dan traditionele kunststoffen, een studie uit 2010 van de Universiteit van Pittsburgh ontdekte dat dit niet noodzakelijk waar was wanneer rekening werd gehouden met de levenscycli van de materialen.

De studie vergeleek zeven traditionele kunststoffen, vier bioplastics en één gemaakt van zowel fossiele brandstoffen als hernieuwbare bronnen. De onderzoekers stelden vast dat de productie van bioplastics leidde tot grotere hoeveelheden verontreinigende stoffen, vanwege de meststoffen en pesticiden die worden gebruikt bij het verbouwen van de gewassen en de chemische verwerking die nodig is om organisch materiaal in plastic te veranderen. De bioplastics droegen ook meer bij aan de aantasting van de ozonlaag dan de traditionele plastics, en vereist veel landgebruik. B-HUISDIER, het hybride plastic, bleek het grootste potentieel voor toxische effecten op ecosystemen en de meeste kankerverwekkende stoffen te hebben, en scoorde het slechtst in de levenscyclusanalyse omdat het de negatieve effecten van zowel landbouw als chemische verwerking combineerde.

Bioplastics produceren tijdens hun levensduur aanzienlijk minder uitstoot van broeikasgassen dan traditionele kunststoffen. Er is geen netto toename van koolstofdioxide wanneer ze afbreken, omdat de planten waarvan bioplastics zijn gemaakt, dezelfde hoeveelheid koolstofdioxide hebben opgenomen als ze groeiden. Een studie uit 2017 wees uit dat het overschakelen van traditioneel plastic naar op maïs gebaseerde PLA de uitstoot van broeikasgassen in de VS met 25 procent zou verminderen. De studie concludeerde ook dat als traditionele kunststoffen werden geproduceerd met behulp van hernieuwbare energiebronnen, de uitstoot van broeikasgassen kan met 50 tot 75 procent worden verminderd; echter, bioplastics die in de toekomst met hernieuwbare energie zouden kunnen worden geproduceerd, waren het meest veelbelovend voor het aanzienlijk verminderen van de uitstoot van broeikasgassen.

Andere problemen

Hoewel de biologische afbreekbaarheid van bioplastics een voordeel is, de meeste hebben industriële composteerinstallaties op hoge temperatuur nodig om af te breken en maar heel weinig steden hebben de infrastructuur die nodig is om ermee om te gaan. Als resultaat, bioplastics belanden vaak op stortplaatsen waar, verstoken van zuurstof, ze kunnen methaan afgeven, een broeikasgas dat 23 keer krachtiger is dan koolstofdioxide.

Wanneer bioplastics niet op de juiste manier worden weggegooid, ze kunnen partijen gerecycled plastic besmetten en de recyclinginfrastructuur beschadigen. Als bioplastic gerecycleerd PET (polyethyleentereftalaat, de meest voorkomende kunststof, gebruikt voor water- en frisdrankflessen), bijvoorbeeld, het hele perceel kan worden afgekeurd en op een stortplaats terechtkomen. Er zijn dus aparte recyclingstromen nodig om bioplastics goed te kunnen weggooien.

Het land dat nodig is voor bioplastics concurreert met voedselproductie omdat de gewassen die bioplastics produceren ook kunnen worden gebruikt om mensen te voeden. De Plastic Pollution Coalition projecten die om te voldoen aan de groeiende wereldwijde vraag naar bioplastics, meer dan 3,4 miljoen acres land - een gebied groter dan België, Nederland en Denemarken samen nodig zullen zijn om de gewassen in 2019 te verbouwen. de aardolie die wordt gebruikt om de landbouwmachines te laten draaien, produceert broeikasgassen.

Bioplastics zijn ook relatief duur; PLA kan 20 tot 50 procent duurder zijn dan vergelijkbare materialen vanwege het complexe proces dat wordt gebruikt om maïs of suikerriet om te zetten in de bouwstenen voor PLA. Echter, de prijzen dalen naarmate onderzoekers en bedrijven efficiëntere en milieuvriendelijkere strategieën ontwikkelen voor de productie van bioplastics.

Van afvalwater tot bioplastic

Studenten van Kartik Chandran en Columbia ontwikkelen systemen om biologisch afbreekbaar bioplastic te produceren uit afvalwater en vast afval. Chandran gebruikt een gemengde microbengemeenschap die zich voedt met koolstof in de vorm van vluchtige vetzuren, zoals azijnzuur in azijn.

Zijn systeem werkt door afvalwater in een bioreactor te voeden. Binnenkant, micro-organismen (anders dan de plastic producerende bacteriën) zetten de organische koolstof van het afval om in vluchtige vetzuren. De uitstroom wordt vervolgens naar een tweede bioreactor gestuurd waar de plastic producerende microben zich voeden met de vluchtige vetzuren. Deze microben worden voortdurend onderworpen aan feestfasen, gevolgd door hongersnoodfasen, waarbij ze de koolstofmoleculen opslaan als PHA.

Chandran experimenteert met meer geconcentreerde afvalstromen, zoals voedselverspilling en vast menselijk afval, om de vluchtige vetzuren efficiënter te produceren. De focus van zijn onderzoek is zowel het maximaliseren van de PHA-productie als het integreren van afval in het proces. "We willen zoveel mogelijk [uit beide systemen] persen, ' zei Chandran.

Hij gelooft dat zijn geïntegreerde systeem kosteneffectiever zou zijn dan de methoden die momenteel worden gebruikt om bioplastic te produceren, waarbij suikers worden gekocht om PHA te maken. "Als je afvalwaterzuivering integreert of uitdagingen op het gebied van voedselverspilling aanpakt met de productie van bioplastic, dan is dit vrij gunstig [economisch], "zei Chandran. "Want als we zouden opschalen en naar de commerciële modus zouden gaan, we zouden betaald krijgen om het voedselafval weg te nemen en dan zouden we ook betaald krijgen om bioplastics te maken." Chandran hoopt de cirkel te sluiten zodat, op een dag, afvalproducten zullen routinematig dienen als een hulpbron die kan worden omgezet in nuttige producten zoals bioplastic.

Andere veelbelovende alternatieven

Full Cycle Bioplastics in Californië produceert ook PHA uit organisch afval zoals voedselafval, gewasresten zoals stengels en oneetbare bladeren, tuin afval, en niet-gerecycleerd papier of karton. Gebruikt om tassen te maken, containers, bestek, water- en shampooflessen, dit bioplastic is composteerbaar, marien afbreekbaar (wat betekent dat als het in de oceaan terechtkomt, het kan dienen als voedsel voor vissen of bacteriën) en heeft geen toxische effecten. Full Cycle kan de PHA aan het einde van zijn levensduur verwerken, en gebruik het om opnieuw maagdelijk plastic te maken.

Het in Pennsylvania gevestigde Renmatix gebruikt houtachtige biomassa, energiegrassen en gewasresten in plaats van duurdere voedselgewassen. Zijn technologie scheidt suikers van de biomassa met behulp van water en warmte in plaats van zuren, oplosmiddelen of enzymen in een relatief schone, snel en goedkoop proces. Zowel de suikers als de lignine uit de biomassa worden vervolgens gebruikt als bouwstenen voor bioplastics en andere bioproducten.

Aan de Michigan State University, wetenschappers proberen de productiekosten voor bioplastic te verlagen door het gebruik van cyanobacteriën, ook wel blauwgroene algen genoemd, die zonlicht gebruiken om chemische verbindingen te produceren door middel van fotosynthese. In plaats van hun plastic producerende bacteriën suikers te geven uit maïs of suikerriet, deze wetenschappers hebben cyano's aangepast om constant de suiker uit te scheiden die ze van nature produceren. De plastic producerende bacteriën consumeren vervolgens de suiker die door de cyano's wordt geproduceerd, die herbruikbaar zijn.

Onderzoekers van Stanford University en de in Californië gevestigde startup Mango Materials transformeren methaangas van afvalwaterzuiveringsinstallaties of stortplaatsen in bioplastic. Het methaan wordt toegevoerd aan plastic producerende bacteriën die het omzetten in PHA, die het bedrijf aan kunststofproducenten verkoopt. Het wordt gebruikt voor plastic doppen, shampooflessen of biopolyestervezels die gecombineerd kunnen worden met natuurlijke materialen voor kleding. Het bioplastic wordt weer biologisch afgebroken tot methaan, en als het de oceaan bereikt, kan op natuurlijke wijze worden verteerd door mariene micro-organismen.

Het Centre for Sustainable Technologies aan de Universiteit van Bath in Engeland maakt polycarbonaat van suikers en kooldioxide voor gebruik in flessen, lenzen en coatings voor telefoons en dvd's. Traditioneel polycarbonaat plastic wordt gemaakt met BPA (verboden voor gebruik in babyflessen) en het giftige chemische fosgeen. De Bath-onderzoekers hebben een goedkopere en veiligere manier gevonden om dit te doen door bij kamertemperatuur koolstofdioxide aan de suikers toe te voegen. Bodembacteriën kunnen het bioplastic afbreken tot koolstofdioxide en suiker.

En dan zijn er die innovatieve manieren ontwikkelen om plastic helemaal te vervangen. Het Japanse designbedrijf AMAM produceert verpakkingsmaterialen gemaakt van de agar in rode zeealgen. Het Amerikaanse ministerie van landbouw ontwikkelt een biologisch afbreekbare en eetbare film van het melkeiwit caseïne om voedsel in te verpakken; het is 500 keer beter in het vers houden van voedsel dan traditionele plastic folie. En het in New York gevestigde Ecovative gebruikt mycelium, het vegetatief vertakkende deel van een schimmel, om paddestoelmaterialen te maken, voor biologisch afbreekbaar verpakkingsmateriaal, tegels, plantenbakken en meer.

Direct, het is moeilijk te beweren dat biokunststoffen milieuvriendelijker zijn dan traditionele kunststoffen wanneer alle aspecten van hun levenscyclus in aanmerking worden genomen:landgebruik, pesticiden en herbiciden, energieverbruik, waterverbruik, broeikasgassen en methaanemissies, biologische afbreekbaarheid, recycleerbaarheid en meer. Maar terwijl onderzoekers over de hele wereld werken aan de ontwikkeling van groenere rassen en efficiëntere productieprocessen, bioplastics zijn veelbelovend om de plasticvervuiling te helpen verminderen en onze ecologische voetafdruk te verkleinen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.