Bioplaster sägs ofta vara miljövänliga, men lever de upp till hypen?

Världen har producerat över nio miljarder ton plast sedan 1950-talet. 165 miljoner ton av det har skrotat vårt hav, med nästan 9 miljoner fler ton som kommer ut i haven varje år. Eftersom endast cirka 9 procent av plasten återvinns, mycket av resten förorenar miljön eller sitter på deponier, där det kan ta upp till 500 år att sönderfalla samtidigt som giftiga kemikalier läcker ut i marken.

Traditionell plast tillverkas av petroleumbaserade råvaror. Vissa säger att bioplast – gjord av 20 procent eller mer av förnybara material – kan vara lösningen på plastföroreningar. De ofta nämnda fördelarna med bioplast är minskad användning av fossila bränsleresurser, ett mindre koldioxidavtryck, och snabbare nedbrytning. Bioplast är också mindre giftigt och innehåller inte bisfenol A (BPA), en hormonstörare som ofta finns i traditionell plast.

Kartik Chandran, en professor vid Earth and Environmental Engineering Department vid Columbia University som arbetar med bioplast, anser att jämfört med traditionell plast, "bioplaster är en betydande förbättring."

Dock, det visar sig att bioplast ännu inte är silverkulan till vårt plastproblem.

Hur biologiskt nedbrytbara är bioplaster?

Eftersom det ofta uppstår förvirring när man talar om bioplast, låt oss förtydliga några termer först.

• Nedbrytbar – All plast är nedbrytbar, även traditionell plast, men bara för att det kan brytas ner i små fragment eller pulver betyder det inte att materialen någonsin kommer att återvända till naturen. Vissa tillsatser till traditionell plast gör att de bryts ned snabbare. Fotonedbrytbar plast bryts ner lättare i solljus; oxo-nedbrytbar plast sönderfaller snabbare när den utsätts för värme och ljus.
• Biologiskt nedbrytbar – Biologiskt nedbrytbar plast kan brytas ned helt till vatten, koldioxid och kompost av mikroorganismer under rätt förhållanden. "Biologiskt nedbrytbar" innebär att nedbrytningen sker på veckor till månader. Bioplaster som inte bryts ned så snabbt kallas "hållbara, " och vissa bioplaster gjorda av biomassa som inte lätt kan brytas ned av mikroorganismer anses vara icke-biologiskt nedbrytbara.
• Komposterbar – Komposterbar plast bryts ned biologiskt på en kompostplats. Mikroorganismer bryter ner det till koldioxid, vatten, oorganiska föreningar och biomassa i samma takt som andra organiska material i komposthögen, lämnar inga giftiga rester.

Typer av bioplast

Bioplaster används för närvarande i engångsartiklar som förpackningar, behållare, sugrör, påsar och flaskor, och i engångsmatta, plaströr, telefonfodral, 3d-utskrivning, bilisolering och medicinska implantat. Den globala bioplastmarknaden beräknas växa från 17 miljarder USD i år till nästan 44 miljarder USD 2022.

Det finns två huvudtyper av bioplast.

PLA (polyactic acid) tillverkas vanligtvis av sockerarter i majsstärkelse, kassava eller sockerrör. Det är biologiskt nedbrytbart, kolneutrala och ätbara. För att förvandla majs till plast, majskärnor är nedsänkta i svaveldioxid och varmt vatten, där dess komponenter bryts ner till stärkelse, protein, och fiber. Kärnorna mals sedan och majsoljan separeras från stärkelsen. Stärkelsen består av långa kedjor av kolmolekyler, liknande kolkedjorna i plast från fossila bränslen. Vissa citronsyror blandas in för att bilda en långkedjig polymer (en stor molekyl som består av upprepade mindre enheter) som är byggstenen för plast. PLA kan se ut och bete sig som polyeten (används i plastfilmer, förpackning och flaskor), polystyren (styrofon och plastbestick) eller polypropen (förpackning, bildelar, textilier). Minnesota-baserade NatureWorks är ett av de största företagen som producerar PLA under varumärket Ingeo.

PHA (polyhydroxialkanoat) tillverkas av mikroorganismer, ibland genetiskt modifierade, som tillverkar plast av organiskt material. Mikroberna är berövade på näringsämnen som kväve, syre och fosfor, men med tanke på höga halter av kol. De producerar PHA som kolreserver, som de lagrar i granulat tills de har mer av de andra näringsämnena de behöver för att växa och fortplanta sig. Företag kan sedan skörda den mikrobtillverkade PHA, som har en kemisk struktur som liknar den för traditionell plast. Eftersom det är biologiskt nedbrytbart och inte kommer att skada levande vävnad, PHA används ofta för medicinska tillämpningar som suturer, selar, benplattor och hudersättningar; den används också för engångsförpackningar för livsmedel.

Biverkningarna av bioplastproduktion

Även om bioplast generellt anses vara mer miljövänlig än traditionell plast, en studie från 2010 från University of Pittsburgh fann att det inte nödvändigtvis var sant när materialens livscykler togs i beaktande.

Studien jämförde sju traditionella plaster, fyra bioplaster och en tillverkad av både fossila bränslen och förnybara källor. Forskarna bestämde att produktionen av bioplast resulterade i större mängder föroreningar, på grund av de gödningsmedel och bekämpningsmedel som används för att odla grödorna och den kemiska bearbetning som krävs för att förvandla organiskt material till plast. Bioplasterna bidrog också mer till ozonnedbrytningen än de traditionella plasterna, och krävde omfattande markanvändning. B-PET, hybridplasten, visade sig ha den högsta potentialen för toxiska effekter på ekosystem och de flesta cancerframkallande ämnen, och fick sämst poäng i livscykelanalysen eftersom den kombinerade de negativa effekterna av både jordbruk och kemisk bearbetning.

Bioplast ger betydligt mindre utsläpp av växthusgaser än traditionell plast under sin livstid. Det finns ingen nettoökning av koldioxid när de bryts ner eftersom växterna som bioplaster är gjorda av absorberade samma mängd koldioxid som de växte. En studie från 2017 fastställde att byte från traditionell plast till majsbaserad PLA skulle minska USA:s utsläpp av växthusgaser med 25 procent. Studien drog också slutsatsen att om traditionell plast tillverkades med förnybara energikällor, växthusgasutsläppen skulle kunna minskas med 50 till 75 procent; dock, bioplaster som i framtiden kan komma att produceras med förnybar energi visade mest lovande för att kraftigt minska utsläppen av växthusgaser.

Andra problem

Även om bioplastens biologiska nedbrytbarhet är en fördel, de flesta behöver industriella komposteringsanläggningar med hög temperatur för att bryta ner och väldigt få städer har den infrastruktur som behövs för att hantera dem. Som ett resultat, bioplaster hamnar ofta på deponier där, syreberövad, de kan frigöra metan, en växthusgas 23 gånger mer potent än koldioxid.

När bioplast inte kasseras på rätt sätt, de kan förorena partier av återvunnen plast och skada återvinningsinfrastrukturen. Om bioplast förorenar återvunnen PET (polyetylentereftalat, den vanligaste plasten, används för vatten- och läskflaskor), till exempel, hela partiet kan avvisas och hamna på en deponi. Så separata återvinningsströmmar är nödvändiga för att kunna kassera bioplast på rätt sätt.

Den mark som krävs för bioplast konkurrerar med livsmedelsproduktion eftersom de grödor som producerar bioplast också kan användas för att mata människor. Plastic Pollution Coalition planerar att möta den växande globala efterfrågan på bioplast, mer än 3,4 miljoner hektar mark – ett område större än Belgien, Nederländerna och Danmark tillsammans — kommer att behövas för att odla grödorna till 2019. Dessutom, petroleum som används för att driva jordbruksmaskiner producerar utsläpp av växthusgaser.

Bioplaster är också relativt dyra; PLA kan vara 20 till 50 procent dyrare än jämförbara material på grund av den komplexa process som används för att omvandla majs eller sockerrör till byggstenarna för PLA. Dock, priserna sjunker i takt med att forskare och företag utvecklar effektivare och miljövänligare strategier för att producera bioplast.

Från avloppsvatten till bioplast

Kartik Chandran och Columbia-studenter utvecklar system för att producera biologiskt nedbrytbar bioplast från avloppsvatten och fast avfall. Chandran använder en blandad mikrobgemenskap som livnär sig på kol i form av flyktiga fettsyror, såsom ättiksyra som finns i vinäger.

Hans system fungerar genom att mata avloppsvatten till en bioreaktor. Inuti, mikroorganismer (till skillnad från de plastproducerande bakterierna) omvandlar avfallets organiska kol till flyktiga fettsyror. Utflödet skickas sedan till en andra bioreaktor där de plastproducerande mikroberna livnär sig på de flyktiga fettsyrorna. Dessa mikrober utsätts ständigt för festfaser följt av svältfaser, under vilken de lagrar kolmolekylerna som PHA.

Chandran experimenterar med mer koncentrerade avfallsströmmar, såsom matavfall och fast mänskligt avfall, att producera de flyktiga fettsyrorna mer effektivt. Fokus för hans forskning är att både maximera PHA-produktionen och att integrera avfall i processen. "Vi vill pressa så mycket vi kan [ur båda systemen], sa Chandran.

Han tror att hans integrerade system skulle vara mer kostnadseffektivt än de metoder som för närvarande används för att producera bioplast som innebär att man köper socker för att göra PHA. "Om du integrerar avloppsvattenrening eller tar itu med utmaningar med matsvinn med bioplastproduktion, då är detta ganska fördelaktigt [ekonomiskt], " sa Chandran. "För om vi skulle skala upp och gå in i kommersiellt läge, vi skulle få betalt för att ta bort matavfallet och sedan skulle vi få betalt för att tillverka bioplast också." Chandran hoppas kunna stänga kretsen så att, en dag, restprodukter kommer rutinmässigt att fungera som en resurs som kan omvandlas till användbara produkter som bioplast.

Andra lovande alternativ

Full Cycle Bioplastics i Kalifornien producerar också PHA från organiskt avfall som matavfall, skörderester som stjälkar och oätliga löv, trädgårdsavfall, och icke återvunnet papper eller kartong. Används för att göra väskor, behållare, bestick, vatten- och schampoflaskor, denna bioplast är komposterbar, marint nedbrytbart (vilket betyder att om det hamnar i havet, det kan fungera som fisk- eller bakteriemat) och har inga toxiska effekter. Full Cycle kan bearbeta PHA vid slutet av dess livslängd, och använd den för att göra ny plast igen.

Pennsylvania-baserade Renmatix använder träig biomassa, energigräs och skörderester istället för dyrare matgrödor. Dess teknologi separerar sockerarter från biomassan med hjälp av vatten och värme istället för syror, lösningsmedel eller enzymer i en relativt ren, snabb och billig process. Både sockerarterna och ligninet från biomassan används sedan som byggstenar för bioplaster och andra bioprodukter.

vid Michigan State University, forskare försöker minska produktionskostnaderna för bioplast genom användning av cyanobakterier, även känd som blågröna alger, som använder solljus för att producera kemiska föreningar genom fotosyntes. Istället för att mata sina plastproducerande bakterier med socker från majs eller sockerrör, dessa forskare tweaked cyanos för att ständigt utsöndra socker som de naturligt producerar. De plastproducerande bakterierna konsumerar sedan sockret som produceras av cyanos, som är återanvändbara.

Stanford University-forskare och Kalifornien-baserade startup Mango Materials omvandlar metangas från avloppsreningsverk eller deponier till bioplast. Metanet matas till plastproducerande bakterier som omvandlar det till PHA, som företaget säljer till plastproducenter. Den används för plastlock, schampoflaskor eller biopolyesterfibrer som kan kombineras med naturliga material för kläder. Bioplasten kommer att bryta ned igen till metan, och om den når havet, kan smältas naturligt av marina mikroorganismer.

Center for Sustainable Technologies vid University of Bath i England tillverkar polykarbonat av socker och koldioxid för användning i flaskor, linser och beläggningar för telefoner och DVD-skivor. Traditionell polykarbonatplast är tillverkad av BPA (förbjudet att använda i nappflaskor) och den giftiga kemikalien fosgen. Bath-forskarna har hittat ett billigare och säkrare sätt att göra det genom att tillsätta koldioxid till sockerarterna vid rumstemperatur. Jordbakterier kan bryta ner bioplasten till koldioxid och socker.

Och så finns det de som utvecklar innovativa sätt att ersätta plast helt och hållet. Japanska designföretaget AMAM producerar förpackningsmaterial gjorda av agar i röda marina alger. Det amerikanska jordbruksdepartementet utvecklar en biologiskt nedbrytbar och ätlig film från mjölkproteinkaseinet för att slå in mat; den är 500 gånger bättre på att hålla maten fräsch än traditionell plastfilm. Och New York-baserade Ecovative använder mycel, den vegetativa grendelen av en svamp, att göra svampmaterial, för biologiskt nedbrytbart förpackningsmaterial, kakel, planteringsmaskiner med mera.

Just nu, det är svårt att påstå att bioplast är mer miljövänligt än traditionell plast när alla aspekter av deras livscykel beaktas:markanvändning, bekämpningsmedel och herbicider, energiförbrukning, vattenanvändning, utsläpp av växthusgaser och metan, biologisk nedbrytbarhet, återvinningsbarhet med mera. Men eftersom forskare runt om i världen arbetar för att utveckla grönare sorter och effektivare produktionsprocesser, bioplaster har ett löfte om att hjälpa till att minska plastföroreningarna och minska vårt koldioxidavtryck.

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Earth Institute, Columbia University http://blogs.ei.columbia.edu.