Kunstig fotosyntese og biologisk nedbrytbarhet: Bekjempelse av plastisk trussel med bærekraft i tankene

CO2-utslipp og tilstedeværelsen av ikke-biologisk nedbrytbar plast på jorden er begge farer som forårsaker irreversible skader. Det er viktig at karbondioksid, som er en varmefangende gass, varmer opp planeten og resulterer til slutt i klimaendringer. 

Denne oppvarmingseffekten understrekes av NASAs estimater, som avslører at menneskelige aktiviteter har økt atmosfærens karbondioksidinnhold med 50 % på mindre enn 200 år. Ytterligere forverring av situasjonen er ikke-biologisk nedbrytbar plast fra materialer som styrofoam, engangsplastposer og plastvannflasker, som utgjør en annen alvorlig trussel ettersom de forurenser grunnvannet og næringskjeden og forurenser luften.

For å ta tak i disse sammenvevde utfordringene, har forskere fra Osaka Metropolitan University nå utviklet et gjennombrudd som håndterer begge disse utfordringene gjennom en enkelt rute. Det har dukket opp med en innovativ og effektiv måte å produsere fumarsyre på som vil redusere karbondioksidutslippsnivåene samtidig som avfallet brukes til å lage biologisk nedbrytbar plast. La oss gå dypere inn i å forstå hva denne innovasjonen betyr og hvordan den fungerer.

Klikk her for å finne ut om forebygging eller behandling er bedre for å takle atmosfærisk CO2.

Bærekraftig produksjon av fumarsyre

Fumarsyre er en komponent i biologisk nedbrytbar plast. Det kommer tradisjonelt fra petroleum, karbondioksid og biomasseavledede forbindelser. Nå har forskerne kommet opp med en løsning der man kan produsere fumarsyre bærekraftig og effektivt. Det har vært to studier mot samme sluttmål. 

I den første viste et forskerteam ledet av professor Yutaka Amao fra forskningssenteret for kunstig fotosyntese ved Osaka Metropolitan University (OMU) måtene å syntetisere fumarsyre fra bikarbonat og biomasseavledet pyrodruesyre. Energien som ble brukt i prosessen var fornybar solenergi. 

Forskerne oppnådde også suksess med å produsere fumarsyre med karbondioksid som bidro som råstoff til prosessen, som kommer direkte fra gassfasen. Eksperimentet sto imidlertid overfor én begrensning. Det kunne ikke produsere et betydelig volum fumarsyre. Produksjonen holdt seg lav. 

I den følgende forskningen overvant imidlertid forskerne utfordringen. De utviklet en ny fotosensibilisator og gjorde fremskritt innen kunstig fotosyntese som kunne doble fumarsyrens utbytte sammenlignet med de tradisjonelle metodene. 

Forskerne utviklet en effektiv måte å produsere synlig-lys-drevet fumarat fra gassformig CO2 og pyruvat med systemet bestående av trietanolamin, kationisk vannløselig sinkporfyrin, sinktetrakis(4-N, N, N-trimetylaminofenyl)porfyrin, pentametylcyklopentadienyl koordinert rhodium(III) 2,2'-bipyridylkompleks, NAD+, malatdehydrogenase (NAD+-avhengig oksaloacetat-dekarboksylering) og fumarase.

Forskningen, med tittelen "En effektiv synlig-lys-drevet fumaratproduksjon fra gassformig CO2 og pyruvat av det kationiske sinkporfyrin-baserte fotokatalytiske systemet med doble biokatalysatorer," ble støttet av Institute of Fermentation, Osaka. 

Samlet sett har forskningen empirisk fastslått at det var mulig å produsere en avansert kunstig fotosyntesekatalysator som kunne bruke karbondioksid mer effektivt til å produsere biologisk nedbrytbar plast. 

Men hvis vi tenker videre og prøver å vurdere hvorfor kunstig fotosyntese og dens bidrag til bærekraftig og effektiv produksjon av biologisk nedbrytbar plast blir sett på som et gjennombrudd, vil vi se at plast har vært en trussel, og enhver innsats for å gjøre den bærekraftig produsert biologisk nedbrytbar bør bli verdsatt og oppmuntret. 

En av de mest alvorlige plastrelaterte skadene på planeten Jorden er forårsaket av mikroplast. United States National Oceanic and Atmospheric Administration definerer mikroplast som små plastbiter som er mindre enn fem millimeter lange og skader helsen vår, havet og akvatiske liv. Kategorien inkluderer også plast som med hensikt er designet for å være liten. Kalt mikroperler, disse brukes i mange helse- og skjønnhetsprodukter. Disse mikroplastene har flere skadelige implikasjoner.

Mikroplast kommer inn i kroppen vår gjennom forskjellige veier, inkludert vannet vi drikker, maten vi spiser og matbeholderne vi bruker, som alle er veier for oralt inntak av mikroplast. I tillegg inhalerer vi mikroplast gjennom luften, og våre personlige pleieprodukter og mobiltelefondeksler, som inneholder mikroplast, skaper spillerom for dem å komme i vår personlige kontakt.

En gang inne i menneskekroppen kan disse mikroplastene forårsake en rekke helseproblemer. De er kjent for å indusere oksidativt stress og DNA-skader, føre til metabolske forstyrrelser og forårsake dysfunksjoner i vitale organer som lever, tarm, hjerne og luftveier. Videre kan toksisiteten til mikroplast skade våre reproduksjons- og utviklingsevner, noe som illustrerer alvorlighetsgraden av deres innvirkning på menneskers helse.

Spørsmålet om mikroplast strekker seg utover menneskers helse, da disse partiklene også skader livet i havet. De utøver en giftig effekt på fisk og andre vannlevende organismer, hemmer deres vekst og utvikling, øker dødeligheten, forårsaker betennelse, reduserer svømmehastigheten, reduserer vitalitet og kroppslengde, og forårsaker tarmskader. Disse bevisene understreker det presserende behovet for å ta tak i og stoppe forurensningen av miljøet vårt med mikroplast.

I lys av dette, nylig undervannsdykkundersøkelser har fremhevet det presserende behovet for innovative avfallsinnsamlingsløsninger. For eksempel avslørte en banebrytende undersøkelse utført av forskere fra Desert Research Institute ved Lake Tahoes innsjøbunn et alarmerende gjennomsnitt på 83 stykker plastforsøpling per kilometer, med ikke en eneste strekning av innsjøen som ble funnet å være fri for plastavfall. Vanlige gjenstander som er identifisert inkluderer matbeholdere, flasker, plastposer og leker, med de seks vanligste plasttypene polyvinylklorid (PVC), polystyren, polyester/polyetylentereftalat, polyetylen, polypropylen og polyamid.

Mens flere løsningsleverandører som tilbyr levedyktige alternativer til ren undervannsplast er til stede, er forskere også interessert i å vurdere potensialet til enbærekraftsmål' for å dempe plastforurensning. Woods Hole Oceanographic Institutions forskere utviklet en bærekraftsmål for økologisk design av plastprodukter som har lav bestandighet i miljøet. Forskerne mente at denne beregningen kunne gi miljømessige og samfunnsmessige fordeler. 

Studien viste en innovativ og oppfinnsom måte å takle trusselen med plastforurensning. Tilnærmingen kan sees på som noe lik regnskapsøvelsene for sosial innvirkning vi er kjent med. Den sammenlignet indekser for miljøpåvirkningen av plast, så vel som deres erstatninger, som viste at å gjøre rede for den miljømessige utholdenheten til plast og erstatte dem effektivt kan bety gevinster på hundrevis av millioner av dollar for et enkelt forbrukerprodukt. 

Mens han forklarte betydningen av studien, sa hovedforfatteren av studien, Bryan James, en materialforsker og ingeniør:

"Det som er viktig å finne ut er hvordan vi kan designe funksjonelle, bærekraftige og godartede materialer, produkter og prosesser som legemliggjør alle prinsippene for grønn materialteknikk inn i fremtidens verden som vi skal leve i."

Totalt sett har det å lage plast som er tilstrekkelig biologisk nedbrytbart og identifisere passende alternativer for dem holdt det vitenskapelige og teknologiske samfunnet opptatt. Det er mange bedrifter, store og små, som jobber aktivt på dette området.  

# 1. Mitsubishi Chemical Group

Mitsubishi Chemical Group har vært en aktiv deltaker på dette området i en stund nå. Som medlem av Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process (ARPChem), etablert i oktober 2012, deltok Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) i et kunstig fotosynteseprosjekt utført av New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO). Siden den gang har Mitsubishi presset på for å oppnå mer effektivitet og optimalisering av prosessen. 

Det handlet om bærekraftig produksjon av fumarsyre i forskningen vi hadde som åpning for diskusjonen vår. Mitsubishi Chemical Groups innsats er imidlertid rettet mot å produsere Olefin. 

I denne prosessen spiller en syntetisk katalysator en kritisk rolle ved å muliggjøre reaksjonen mellom separert hydrogen og karbondioksid. Mitsubishis innovative arbeid med å utvikle en passende katalysator og foredle de nødvendige prosessteknologiene har forbedret utbyttet betydelig, noe som gjør Olefin-produksjonen mer effektiv. 

Som et resultat har Olefin blitt et effektivt produsert råmateriale for å lage plast, og viser Mitsubishis bidrag til å fremme bærekraftig produksjonspraksis i den kjemiske industrien.

Green Innovation Project, drevet av NEDO, valgte Mitsubishis kommersielle utvikling av kunstig fotosyntesebasert kjemisk råmaterialeproduksjon for finansiering i februar 2022. 

I ytterligere utviklingsstadier vil prosessen konvertere råvarer fra petroleum og bidra til å utvikle plastproduksjonsteknologi som utnytter karbondioksid ved å bruke petrokjemisk produksjonsteknologi, katalysatorutviklingsteknologi og andre teknologier den har dyrket mens den samarbeider med universiteter og forskningsinstitutter. 

Mitsubishi Corporation publiserte en integrert rapport for regnskapsåret som slutter 31. mars 2023. Selskapet tjente mer enn 159 milliarder dollar.

# 2. Evonik og Siemens

I det som kalles teknisk fotosyntese, bruker to selskaper, Evonik og Siemens, fornybar energi og bakterier for å omdanne karbondioksid til spesialkjemikalier. Konsernene utfører denne oppgaven under et felles forskningsprosjekt kalt Rheticus. I den første fasen av forskningen ble det produsert kjemikalier som butanol og heksanol, som begge er råmaterialer for spesialplast og kosttilskudd. 

Ifølge Dr. Thomas Haas, ansvarlig for prosjektet i Evoniks strategiske forskningsavdeling Creavis: 

"Med Rheticus-plattformen ønsker vi å demonstrere at kunstig fotosyntese er mulig."

For å gjøre denne påstanden til virkelighet, bidrar både Evonik og Siemens i henhold til deres kjernekompetanse. For eksempel styrker Siemens prosessen med elektrolyseteknologi, som vil bli brukt i det første trinnet for å omdanne karbondioksid og vann til hydrogen og karbonmonoksid ved bruk av elektrisitet. 

Evoniks bidrag er rettet mot å styrke fermenteringsprosessen, der gasser som inneholder karbonmonoksid vil bli omdannet til nyttige produkter ved metabolske prosesser tilrettelagt av spesielle mikroorganismer. 

Mens han utdypet potensialet for å hjelpe plast- og spesialkjemisk industri, sa Dr. Haas:

"Den modulære naturen og fleksibiliteten når det gjelder plassering, råvarekilder og produserte produkter gjør den nye plattformen attraktiv for spesielt spesialkjemiindustrien. Vi er sikre på at andre selskaper vil bruke plattformen og integrere den med sine egne moduler for å produsere sine kjemiske produkter."

Ifølge siste tilgjengelige årsregnskap, Evonik Group registrerte salg på nesten 18.5 milliarder euro i 2022. Av disse inntektene bidro spesialtilsetningsstoffer og ernæring og pleie med 23 % hver. Inntekter fra smarte materialer utgjorde 26 % av inntektene, mens ytelsesmaterialer bidro med 20 %, og teknologi- og infrastrukturprodukter og -tjenester bidro med 8 %. 

på regnskapsåret 2023, registrerte Siemens en årlig omsetning på nærmere 22 millioner euro, en betydelig økning fra 19.5 milliarder euro registrert i FY 2022. 

Plast og vår reise mot bærekraft

Gjennom kollektiv innsats må vi sikre at vi tar de riktige skrittene mot en fremtid fylt med bioplast, som enten er biologisk nedbrytbar plast eller biobaserte materialer i seg selv, som henter energi fra fornybare ressurser. Disse bioplastene, med tanke på deres holdbarhet og brukervennlighet, ville ikke være mindre enn konvensjonell plast. De kan behandles gjennom konvensjonelle plastmaskiner og oppbevares i tradisjonelle varehus, noe som effektivt fjerner omfanget av ressursredundans.

Unnlatelse av å utarbeide et levedyktig alternativ til trusselen fra plastavfall vil føre til alvorlige farer for flere land over hele verden. Sørøst-Asia, for eksempel, har allerede blitt et "hot spot" for plastforurensning, en situasjon forverret av rask urbanisering og en voksende middelklasse. Ytterligere forsterket av mangelen på effektiv infrastruktur, har dette resultert i dempet effektivitet for resirkulerbar plast.

Dette problemet med feilhåndtering av avfall har blitt ytterligere forverret i løpet av COVID-sesongen på grunn av forbruket av masker, desinficeringsflasker og nettbasert emballasje. I følge data presentert av Verdensbanken, i land som Thailand, Filippinene og Malaysia, går mer enn 75 % av materialverdien til resirkulerbar plast tapt – tilsvarende 6 milliarder dollar i året når engangsplast kastes i stedet for gjenvinnes og resirkulert.

I lys av slik feilhåndtering av avfall og utilstrekkelig infrastruktur, fremstår bioplast som det mest effektive alternativet som er uavhengig av slike feilhåndteringer. Dessuten hjelper bioplast i vårt bærekraftarbeid siden de er mindre avhengige av konvensjonelt fossilt brensel. Bruk av biologisk nedbrytbar plast betyr også forbedrede end-of-life-scenarier for avhending og resirkulering.

Likevel er andelen bioplast fortsatt mye mindre enn hva den burde være for fremtiden vår å være fullt avhengig av bærekraftige midler. Ifølge ett estimat er andelen bioplast fortsatt under én prosent av de 367 millioner tonn plast som produseres globalt hvert år. Imidlertid forventes det å være vitne til betydelig vekst i de kommende årene på en rekke bruksområder, inkludert emballasje, forbruksvarer, bygg og anlegg, bil og transport, tekstiler, landbruk og hagebruk, elektro og elektronikk, belegg og lim og mer .

Nyskapende forskningsstøttet teknologi, som kunstig fotosyntese og bærekraftig produksjon av plastkomponenter drevet av fornybare energikilder, vil ha en betydelig innvirkning på måter å håndtere plast på. Disse prosessene vil ikke bare bety bedre miljøvennlig plast, men også et produksjonsøkosystem som er bærekraftig og nesten utslippsfritt.