От Coca-Cola до ряда выскочек, исследователи ищут лучшие способы удовлетворить спрос на прочные, универсальные материалы.
Судьба Мирового океана может решиться внутри резервуара из нержавеющей стали размером не совсем с небольшой пивной бочонок. Внутри генетически модифицированные бактерии превращают кукурузный сироп во взбалтываемую массу полимеров, которые можно использовать для производства широкого спектра обычных пластиков.
«Это немного похоже на приготовление йогурта», - сказал Оливер Пиплс, главный научный сотрудник Metabolix, Inc.
Компания из Кембриджа, штат Массачусетс, где биопластики формируются в ферментационных камерах лабораторного масштаба, является одним из растущего числа предприятий и учреждений, работающих над разработкой конкурентоспособных по стоимости и более экологически чистых заменителей обычных пластиков, которые производятся из ископаемого топлива, не разлагаются и превращают наши океаны в моря плавающего пластика.
«Мы наблюдаем огромный рост производства пластика, что также приводит к увеличению потока отходов», - сказала Дженна Джамбек, преподаватель экологического факультета Университета Джорджии. «В отличие от биоразлагаемого материала, у пластика есть все эти проблемы. Он легко попадает в водные пути, физически распадается на более мелкие фрагменты, которые чрезвычайно трудно или невозможно собрать, и [имеет тенденцию] поглощать химические загрязнители, которые уже находятся в окружающей среде».
От 5,3 до 14 миллионов тонн пластика, или до 4 процентов от примерно 330 миллионов тонн пластика, производимого ежегодно, попало в океан в виде мусора в 2010 году. Ожидается, что в следующем эта цифра увеличится в десять раз. Согласно исследованию Джамбека и его коллег, опубликованному ранее в этом году в журнале Science.
Какое влияние весь этот пластик на живые существа, включая человека, остается неясным. Ряд недавних исследований показывает, что химические вещества в небольших кусочках пластика и даже в самих кусочках пластика могут накапливаться в птицах, рыбах и других морских обитателях. Лабораторные испытания показали, что химические вещества, входящие в их состав, могут вызывать неблагоприятные последствия для здоровья, включая повреждение печени и эндокринные нарушения из-за измененной экспрессии генов.
Происходят ли аналогичные эффекты за пределами лаборатории или они распространяются по пищевой цепочке на людей, которые едят морские организмы, остается неизвестным, но оба варианта кажутся вполне правдоподобными.
И это еще не все. Пластмассы также печально известны в отделе парниковых газов. Согласно недавнему отчету Института Уорлдвотч, примерно 8 процентов нефти, используемой во всем мире каждый год, идет непосредственно на производство пластика или для обеспечения процессов производства пластика.
Почему бы просто не сократить потребление? Во-первых, пластмассы невероятно универсальны, они отвечают целому ряду потребностей в гибкости, стоимости и других параметрах, с которыми трудно было бы сравнить материалы-заменители. Кроме того, материалы-заменители сами по себе неблагоприятно воздействуют на окружающую среду, общество и здоровье.
«Несмотря на то, что люди считают, что они хотели бы использовать меньше пластика, а не больше, дело в том, что пластики - это современные материалы, которые делают автомобили легче, очищают воду и приносят огромную пользу для здоровья и безопасности. - сказал Марк Хиллмайер, директор Центра устойчивых полимеров Миннесотского университета в Миннеаполисе.
Другими словами, есть веские причины для поиска более устойчивых альтернатив обычным пластикам, а именно пластиков на растительной основе. Такие так называемые биопластики способны разлагаться, что значительно снижает риск того, что они в конечном итоге загрязнят землю или море.
Они также снижают нашу зависимость от ископаемого топлива, уменьшая углеродный след пластика. Выбросы парниковых газов, связанные с биопластиком, на 26 процентов ниже, чем выбросы, связанные с обычным пластиком, согласно недавнему анализу жизненного цикла пластика на основе кукурузы и нефти, проведенному исследователями из Университета штата Мичиган.
Новые альтернативы
Найти ненефтяные, разлагаемые альтернативы сегодняшним пластикам, однако, непросто. Пластик, изготовленный из кукурузы, сахарного тростника или другого материала растительного происхождения, не обязательно разлагается, и его разложение в нужный момент может быть затруднено.
«Вы не хотите, чтобы ваш пластиковый пакет портился во время его использования», - сказал Хиллмайер. «С другой стороны, вы хотите, чтобы он быстро деградировал при попадании в другую среду».
Хотя химики столкнулись с трудностями при изменении состава пластиков на нефтяной основе, чтобы они могли разлагаться, появляется ряд биоразлагаемых альтернатив.
Несмотря на эти и другие недавние успехи, биопластики остаются незначительной частью отрасли в целом. Компания Natureworks, расположенная в Миннетонке, штат Миннесота, является одним из ведущих мировых производителей биопластиков. Компания производит полимолочную кислоту, или PLA, биоразлагаемый пластик, который она получает из кукурузного крахмала и превращает в широкий спектр потребительских товаров, включая одноразовые столовые приборы, чашки и упаковку, которые разлагаются в конце срока их полезного использования.
Первое производственное предприятие компании в Блэре, штат Небраска, было введено в эксплуатацию в 2002 году и может производить 150 000 тонн PLA в год. Недавно компания объявила о планах открыть второй завод в Юго-Восточной Азии, который будет использовать сахарный тростник в качестве сырья.
Другим ведущим производителем биопластика является компания Coca-Cola, которая в 2009 году выпустила PlantBottle, бутылку для напитков, изготовленную из полиэтилентерефталата (ПЭТ), который содержит до 30 процентов биоматериала.
Бутылки не разлагаются, но, в отличие от большинства пластиков на биологической основе, могут быть переработаны вместе с обычным ПЭТ, обычно перерабатываемым пластиком. С 2009 года компания произвела 35 миллиардов своих оригинальных бутылок PlantBottles. В июне компания представила новую версию, которая на 100% состоит из биоосновы.
Несмотря на эти и другие недавние успехи, биопластики остаются незначительной частью отрасли в целом. Материалы хорошо подходят для одноразовых изделий, таких как ложки и бутылки, где потребители готовы платить больше за более экологичные продукты.
Высокая прочность, малозаметность - например, водопроводные трубы из ПВХ, которые обычно используются в жилых и коммерческих сантехнических системах - по-прежнему полностью изготавливаются из обычного пластика. В общей сложности менее 0,5 процента всего пластика поступает из ненефтяных источников, по данным Общества индустрии пластмасс, отраслевой торговой группы, базирующейся в Вашингтоне, округ Колумбия.
Государственное регулирование, однако, приводит к более широкому использованию биопластиков. В 2014 году в Иллинойсе были запрещены микробусины, крошечные пластиковые абразивы, обычно используемые в скрабах для лица, шампунях и зубных пастах, из-за опасений по поводу ухудшения состояния окружающей среды в Великих озерах. Микрогранулы диаметром менее 1 миллиметра слишком малы, чтобы их можно было фильтровать в системах очистки сточных вод, и они были обнаружены как в пресноводной, так и в морской среде.
В связи с ожидаемым федеральным запретом на микрогранулы компания Metabolix в марте заключила партнерское соглашение с Honeywell для создания биоразлагаемой альтернативы микрогранулам. Микрогранулы, которые разрабатывают две компании, сделаны из полигидроксиалканоатов, или PHA, пластика на биологической основе, который более дорогой, но и более универсальный, чем PLA..
Микрогранулы, которые разрабатывают две компании, производятся путем ферментации кукурузного крахмала, хотя они также могут быть изготовлены из непищевых культур, таких как просо просо. По словам Пиплс, микрогранулы PHA разлагаются на углекислый газ и воду в течение нескольких месяцев с той же скоростью, что и целлюлоза или бумага.
О минусах
Поскольку мы все больше полагаемся на пластик, полученный из таких культур, как кукуруза или сахарный тростник, мы непреднамеренно можем создать новые экологические проблемы.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале Cleaner Production, показало, что биопластики, выращенные из сельскохозяйственного сырья, используют значительное количество воды, пестицидов и удобрений, которые могут вызывать загрязнение воздуха и воды и конкурировать за землю с сельскохозяйственными культурами, выращиваемыми для еды.
Одним из возможных способов обойти недостатки пластмасс на растительной основе, при этом снижая зависимость от нефти, является использование вместо этого CO2 в качестве исходного сырья.
Novomer, компания, возникшая в результате исследований в Корнельском университете в Итаке, штат Нью-Йорк, превращает отходы CO2 с заводов по производству этанола в пластик. Компания производит полиолы - полимеры, используемые для изготовления гибкой пены, используемой в матрасах, подушках сидений и изоляции, а также ряд специальных покрытий и герметиков.
«Если бы ваш матрас был сделан из нашего материала, в нем было бы примерно 22 процента по весу углекислого газа», - сказал Питер Шепард, исполнительный вице-президент Novomer по полимерам. «Парниковый газ, являющийся отходами, превращается в ценный продукт».
Обычно CO2 слишком инертен, чтобы реагировать с другими соединениями, что затрудняет его использование в пластмассах или других областях. Джеффри Коутс, профессор химии Корнельского университета в Итаке и соучредитель компании Novomer, разработал катализатор, который увеличивает реакционную способность CO2 и одновременно замедляет реакционную способность другого ключевого полиольного ингредиента, что облегчает включение CO2 в полученный полимер..
«Это как если бы у вас были дети, и вы дадите им пиццу и брокколи, и каждый раз, когда вы откусываете пиццу, вы говорите им, что вы должны откусить от кусочка брокколи», - сказал Коутс, также член Центра. устойчивых полимеров.
Самая большая проблема для биопластиков заключается в том, что они конкурируют с обычными пластиками, невероятно недорогими материалами, которые оттачивались в течение последних 60 лет, сказал Шеер. Полиолы, производимые Novomer, разлагаются, но теряют свою способность к разложению в сочетании с химическими веществами на основе нефти для образования пены.
Хотя в настоящее время компания занимается производством пеноматериалов и герметиков, Шепард сказал, что полимеры Novomer на основе CO2 можно использовать для производства разлагаемых пластиков с содержанием CO2 до 50 процентов.
Самая большая проблема
Несмотря на сильный рост в последние годы, некоторые говорят, что биопластики не реализовали свой потенциал.
«Индустрия биопластиков не смогла создать полимеры, достаточно привлекательные с точки зрения цены и свойств, которые заставили бы мир измениться», - сказал Фредерик Шеер, бывший генеральный директор Cereplast, когда-то - ведущая компания по производству биопластиков, объявившая о банкротстве в 2014 году.
Самая большая проблема для биопластиков заключается в том, что они конкурируют с обычными пластиками, невероятно недорогими материалами, которые оттачивались в течение последних 60 лет, сказал Шеер.
«Люди в некоторой степени осознают воздействие на окружающую среду материалов на масляной основе, которые не разлагаются биологически, но они не хотят тратить дополнительные деньги на продвижение [новых] типов материалов», - сказал он.
Конкуренция с пластиком на нефтяной основе за последний год усилилась, так как цена на нефть упала вдвое.
«Чтобы быть конкурентоспособными с традиционным материалом на нефтяной основе, нам нужно было, чтобы цена на нефть была где-то около 130-140 долларов за баррель», - сказал Шеер. «Очевидно, что при цене 50 долларов за баррель мы далеки от конкуренции».
Шеер сказал, что существует возможность производить весь пластик в мире из ненефтяных источников, но для этого потребуется значительная государственная поддержка.
«Это должно быть обусловлено регулированием, которое заставит стоимость пластика и стоимость нефти быть значительно выше, чем сейчас», - сказал он.
Конкурент полиэтилена?
Если устойчивые пластмассы, которые снижают нашу зависимость от ископаемого топлива и разлагаются в конце срока их полезного использования, должны стать массовыми, они должны быть в состоянии заменить не только микрогранулы, пену и другие специальные приложения, но и для термопластов - недорогих формуемых полимеров, которые составляют более 80 процентов сотен миллионов тонн пластика, производимого каждый год.
Коутс работает над новым биополимером со свойствами, сравнимыми или, возможно, лучшими, чем у полиэтилена, наиболее широко производимого термопластика, используемого для изготовления всего: от мешков для мусора до бутылок с водой и пластиковых игрушек.
Даже тонкий слой полиэтилена невероятно прочен, из него получаются, например, почтовые конверты, которые практически невозможно открыть без ножниц, или молочники, которые не разбиваются при падении на пол. «В основном это потому, что это полукристаллический материал», - сказал Коутс. «[Полимерные] цепи укладываются рядом друг с другом очень плотно и особым образом, что в целом дает довольно впечатляющие свойства.”
В исследовании 2014 года, опубликованном в Журнале Американского химического общества, Коутс и его коллеги из Корнеллского университета описали новый материал с полукристаллической структурой, изготовленный из сахарного сырья и обладающий свойствами, подобными полиэтилену, но более способный разлагаться в конце срока службы.
«Это не происходит в одночасье, но я думаю, что есть определенные положительные [признаки того, что] он может составить реальную конкуренцию такому пластику, как полиэтилен», - сказал Хиллмайер.
Новый материал, известный как поли(полипропиленсукцинат), не тестировался на предмет того, насколько быстро он будет разлагаться на свалке или в морской среде. Но, по словам Коутса, исходя из его состава, он должен начать разлагаться в воде через несколько месяцев, период времени, который превысит срок службы большинства одноразовых продуктов. Поли(полипропиленсукцинат) распадается на пропиленгликоль и янтарную кислоту, нетоксичные материалы, которые далее восстанавливаются до CO2 и воды при проглатывании микробами.
«Если бы вам пришлось есть продукты разложения полимеров, вы бы выбрали именно их», - сказал Коутс.
Маловероятно, что поли(полипропиленсукцинат) будет стоить меньше в пересчете на фунт, чем обычный полиэтилен, но его уникальная кристаллическая структура предполагает, что он может работать лучше, чем его нефтяной аналог. Если это так, то производители биопластика, возможно, когда-нибудь смогут конкурировать с сегодняшней индустрией пластмасс, производя такие вещи, как молочные кувшины, из значительно меньшего количества материала, чем пластмассы на нефтяной основе.
Тяжелый бой
За исключением масштабных правительственных постановлений, которые устанавливают цену на углерод или требуют, чтобы все пластмассы подвергались биологическому разложению, биопластикам придется найти способы превзойти обычные пластмассы, если они хотят заполнить более нишевые области применения.
Это тяжелая битва, но в ней все больше выигрывает другой когда-то нишевый продукт, солнечная панель.
В 2007 году солнечная энергия составляла менее 0,1 процента производства электроэнергии в США. Благодаря изобретательности и инновациям цена фотоэлектрических модулей упала с 4 долларов за ватт до 0,50 долларов за ватт, что сделало солнечную энергию самым быстрорастущим источником электроэнергии в стране.
Могут ли те, кто работает над биопластиком, увидеть подобные кардинальные изменения? В конечном счете, многое, вероятно, будет зависеть не только от того, насколько хорошо их продукты разлагаются, но и от того, насколько они могут разрушить конкурентное преимущество обычного пластика.