Πλαστικά, φυσικά

Μετάφραση Αργυρώ Βεργανελάκη

Ο καθηγητής Colin Webb Χορηγία εικόνας από το Πανεπιστήμιο του Μάνστεστερ

Καθόμαστε πάνω τους, τα φοράμε και μαγειρεύουμε μ’ αυτά: τα πλαστικά είναι παντού. Παρόλα αυτά αυτή η ευελιξία και αφθονία κάνει ακόμη πιο δύσκολη την παραγωγή και καταστροφή των πλαστικών με φιλικούς προς το περιβάλλον τρόπους. Ο David Bradley εξηγεί πώς ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, Αγγλίας είναι ανάμεσα σ’ αυτούς που αναζητούν μία λύση.

Το φθηνό πλαστικό παιχνιδάκι στο πρωινό κουτί δημητριακών είναι ένα τετριμμένο γεγονός. Όμως, η καταστροφή εκατομμυρίων τόνων άχρηστων πλαστικών κάθε χρόνο είναι ένα μεγάλο πρόβλημα που απαιτεί πιο σοβαρή συζήτηση από μια απλή κουβέντα για δημητριακά. Η δουλειά από τον επικεφαλής Colin Webb και τους συναδέλφους του Ruohang Wang και Αποστόλη Κούτινα, στο Satake Centre for Grain Process Engineering του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, θα φέρει στο φως μια φανταστική πλαστική λύση, που όχι μόνο υπόσχεται να λύσει το πρόβλημα της καταστροφής αλλά επίσης ανοίγει το δρόμο για ένα διαρκές μέλλον για την παραγωγή.

Με την αρωγή του Συμβουλίου Έρευνας Μηχανικής και Φυσικών Επιστημών (EPSRC)w1, οι επιστήμονες συνδυάζουν τη σύγχρονη μηχανική και βιοτεχνολογία με τη χημεία των δημητριακών, με σκοπό να αναπτύξουν ένα καινούριο και ιδιαίτερα αποτελεσματικό τρόπο μετατροπής των σπόρων δημητριακών σε βίο-διασπώμενα βιο-πλαστικά. Επεκτείνουν, επίσης, εξελισσόμενες τεχνικές για την απομάκρυνση της φλούδας του σπόρου-γνωστή ως άλεσμα –που θα λειτουργήσει ως ένα γενικό εργαλείο για την εξαγωγή χρήσιμων συστατικών από ένα μεγάλο εύρος δημητριακών, που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρόδρομα για νέα υλικά. Αυτά μπορεί να περιλαμβάνουν σάκχαρα με μικρές οργανικές αλυσίδες για άλλες ζυμώσεις, αραβινοξυλάνες για ιατρικές εφαρμογές, το αντιοξειδωτικό φερουλικό οξύ (πρόδρομο αρωματικών ουσιών όπως η βανιλλίνη) καθώς και λειτουργικές τροφές.

Χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως ‘άλεσμα’ σπόρων, οι ερευνητές έχουν σκοπό να ξεφλουδίσουν τις εξωτερικές επιφάνειες των σπόρων, οι οποίοι μπορούν μετά να αλεστούν σε αλεύρι – παράγοντας ένα αρχικό υλικό εμπλουτισμένο με θρεπτικά στοιχεία και ένζυμα με τα οποία θα τραφούν οι μικροοργανισμοί που θα παράγουν τα βίο-πλαστικά Χορηγία εικόνας από το Πανεπιστήμιο του Μάνστεστερ

Αποφεύγοντας τη χωματερή

Τα πλαστικά έχουν επιφέρει μία τεχνολογική επανάσταση τη σύγχρονη ζωή, παρέχοντάς μας οτιδήποτε από κάλτσες νάιλον έως οδοντικά δακτυλίδια από PVC και υποαλλεργικά συνθετικά προφυλακτικά. Τα πλαστικά είναι πετροχημικά προϊόντα, όμως, και με ετήσια παραγωγή μισού δισεκατομμυρίου τόνων στηριζόμαστε στους ορυκτούς υδρογονάνθρακες για την κατασκευή τους. Επιπλέον, η φύση της απομάκρυνσης πολλών πλαστικών σημαίνει ότι αποτελούν ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα επειδή τα πετροχημικά προϊόντα δεν αποικοδομούνται φυσικά. Τα άχρηστα πλαστικά μπορούν να απομακρυνθούν με αποτέφρωση, αλλά αυτό παράγει καυσαέρια.

Μπορούν να ανακυκλωθούν αλλά αυτό συνεπάγεται τα δικά του προβλήματα καθαρισμού, ταξινόμησης και χρήσης υλικών κατώτερης κλίμακας. Δυστυχώς, η χωματερή είναι προσωρινά η ασφαλέστερη και λιγότερο ακριβή μέθοδος απομάκρυνσης. Αλλά, με το 40% των παραγόμενων πλαστικών να ρίχνονται στις χωματερές, αυτές γεμίζουν γρήγορα. “Περιβαλλοντικά θέματα, η όλο και αυξανόμενη ανάγκη για ενέργεια, πολιτικά συμφέροντα και η έμμεση εξάντληση του πετρελαίου έχουν δημιουργήσει την ανάγκη ανάπτυξης τεχνολογιών βασισμένες σε ανανεώσιμα ακατέργαστα υλικά, ” λέει o Colin. Μαζί με τους συναδέλφους του, ελπίζει να εισακουστεί αυτό το αίτημα για την ανάπτυξη διαφορετικών πρώτων υλών για τις βιομηχανίες πλαστικών, βασισμένο σε ανανεώσιμους σπόρους δημητριακών, αντί των περιορισμένων πηγών μας σε αργό πετρέλαιο. “ Η επιλογή του κατάλληλου ακατέργαστου υλικού εξαρτάται από οικονομικούς, τεχνολογικούς παράγοντες και παράγοντες υποδομής όπως διαθεσιμότητα, εξειδικευμένο προσωπικό, κόστος και τεχνολογία προ-επεξεργασίας, καθώς και μεταφορά, ” εξηγεί ο Αποστόλης. “Τα δημητριακά ανήκουν σε αυτά τα ανανεώσιμα ακατέργαστα υλικά που πληρούν τις περισσότερες από τις προϋποθέσεις. ” Οι σπόροι των δημητριακών είναι αρκετά θρεπτικοί ώστε να διατηρήσουν μία πληθώρα μικροοργανισμών, όπως ο μύκητας Aspergillus awamori, και αυτό μπορεί να κατορθωθεί αναπτύσσοντας μια τυπική μέθοδο κατεργασίας σπόρων σε πρώτες ύλες, χρησιμοποιώντας μικροβιακές ζυμώσεις που μπορούν στη συνέχεια να μετατραπούν χημικά ή με περεταίρω ζύμωση σε βίο-καύσιμα, χημικά και βίο-πλαστικά (πλαστικά που προέρχονται από φυτικές πηγές, αντί για πετρέλαιο).

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ πιστεύουν ότι, με τη χρήση μικροβίων που παράγουν πλαστικό, εκτάσεις σιτηρών θα μπορούν να αντικαταστήσουν τους ορυκτούς υδρογονάνθρακες ως πηγή πολλών πλαστικών Χορηγία εικόνας από David Bradley

Η ιδέα έχει πολλά πλεονεκτήματα, σημαντικό από τα οποία είναι ότι οι σπόροι είναι ανανεώσιμη πηγή και η χρήση τους είναι φυσική. Επιπρόσθετα, τα προϊόντα της χημείας των δημητριακών, συμπεριλαμβανομένων και των βίο-πλαστικών, θα είναι βίο-διασπώμενα, κυριολεκτικά μετατρεπόμενα σε τίποτε άλλο παρά νερό και διοξείδιο του άνθρακα στο έδαφος: γεγονός που έρχεται σε τεράστια αντίθεση με τα 10.000 χρόνια ζωής των προϊόντων πολυθενίου και PVC. Υπάρχουν, επίσης, πολλά κοινωνικό-οικονομικά πλεονεκτήματα κατά τη ανάπτυξη των δημητριακών ως βιομηχανίας πρώτων υλών, όπως μειωμένη εξάρτηση στα λιγοστά αποθέματα αργού πετρελαίου και κέρδη στους αγρότες από την αυξημένη παραγωγή σπόρων δημητριακών.

Προς το παρόν, υπάρχουν τρεις τρόποι να φτιάξεις βίο-πλαστικά. Ο πρώτος περιλαμβάνει ενδοκυτταρική παραγωγή μέσω ζύμωσης πρώτης ύλης που προέρχεται από δημητριακά ή άλλους σπόρους. Αυτή η μέθοδος απαιτεί βήματα εξαγωγής και καθαρισμού. Η δεύτερη μέθοδος περιλαμβάνει μηχανικό ανασυνδυασμό του σπόρου, ώστε να <<μεγαλώσει>> το πλαστικό μέσα στο ίδιο το φυτό, το οποίο στη συνέχεια απαιτεί θερισμό και καθαρισμό. Τέλος, τα δημητριακά μπορούν να παράγουν ενδιάμεσα προϊόντα, πάλι μέσω ζύμωσης, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να μετατραπούν σε βίο-πλαστικά. Αν οι φυσικοί μικροοργανισμοί δεν μπορούν να παράγουν το επιθυμητό βίο-πλαστικό, τότε και αυτοί μπορούν να ανασυνδυαστούν γενετικά γι’ αυτό το σκοπό.

Έξυπνα μικρόβια

Τα μικρόβια που παράγουν πλαστικά χρησιμοποιούν απλά σάκχαρα, όπως γλυκόζη, ως πηγή άνθρακα και οργανικά αζωτούχα συστατικά, όπως αμινοξέα και μικρά πεπτίδια, για το άζωτό τους. Όλα αυτά τα θρεπτικά συστατικά υπάρχουν στους σπόρους δημητριακών. Επιπλέον ο σπόρος περιέχει βιταμίνες και μεταλλικά στοιχεία απαραίτητα για τη μικροβιακή ανάπτυξη. Μερικοί σπόροι είναι σημαντικοί υποψήφιοι για την παραγωγή λειτουργικών χημικών πηγών. Το σιτάρι π.χ. περιέχει χρήσιμα λιπίδια και συγκολλητίνη, αραβινοξυλάνη, φυτικό οξύ και βιταμίνες, και σάκχαρα με μικρές αλυσίδες. Το άλεσμα του σπόρου με σκοπό το ξεφλούδισμα και το καβούρντισμά του σε αλεύρι, παράγει ένα αρχικό υλικό πακεταρισμένο με θρεπτικά συστατικά και ένζυμα, με τα οποία μπορούν να τραφούν οι κατάλληλοι μικροοργανισμοί για να παράγουν βίο-πλαστικά. “H στρατηγική της βίο-κατεργασίας παρέχει πρώτες ύλες για επακόλουθες μικροβιακές ζυμώσεις για την παραγωγή βίο-πλαστικών και άλλων χημικών,” λέει ο Colin.

“Τα μικροβιακά βίο-πλαστικά θα βρουν πολλές εφαρμογές ως αποικοδομήσιμα πλαστικά, όπως οι συσκευασίες τροφίμων, οι οποίες δεν μπορούν να ανακυκλωθούν.”
Καθηγητής Colin Webb

Δε θα είναι εύκολο να παράγουμε εφαρμόσιμες μεθόδους για την παρασκευή βίο-πλαστικών για όλες τις περιπτώσεις, αλλά οι ερευνητές ελπίζουν να καλύψουν τις περισσότερες πτυχές. “Τα μικροβιακά βίο-πλαστικά θα βρουν πολλές εφαρμογές ως αποικοδομήσιμα πλαστικά, όπως οι συσκευασίες τροφίμων, οι οποίες δεν μπορούν να ανακυκλωθούν. Είναι, επίσης, δυνατό να αναμίξουμε βίο-πλαστικά με άλλα υλικά, για να κατασκευάσουμε βίο-πλαστικά ανθεκτικά στη βίο-αποσύνθεση. Επιπρόσθετα, η ανακύκλωση θα μπορούσε να εδραιωθεί ως μία γενική μέθοδος για την παραγωγή μακροβιότερων υλικών,” προσθέτει ο Colin. Η παραδοσιακή επεξεργασία σπόρων για την παρασκευή σιροπιού από καλαμπόκι και άλλες τροφές καθώς και για ζωοτροφές παράγει πολλά απόβλητα, και η σπατάλη νερού είναι μεγάλη και δεν αξιοποιεί την πλούσια χημεία αυτών των φυσικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων των ανεκτίμητων θρεπτικών συστατικών και ενζύμων. Στη νέα τους τεχνική, η ομάδα του Μάντσεστερ έχει προσπαθήσει να εκμεταλλευτεί το δυναμικό όλων των σπόρων δημητριακών, με σκοπό να κατασκευάσει βιώσιμα βίο-προϊόντα διύλισης για την παραγωγή βίο-πλαστικών καθώς και άλλων άξιο-πρόσθετων προϊόντων. Η εκδοχή τους ερευνά νέες εφαρμογές στην αγορά.

Αυτή τη στιγμή βιοδιασπώμενα πολυμερή όπως το PHB (πολύ-ύδροξυ-βουτυρικό άλας- του οποίου η δομή φαίνεται εδώ) είναι ακριβά κατά την παραγωγή τους και ακατάλληλα για πολλές εφαρμογές. Οι ερευνητές του EPSRC ελπίζουν να βρουν έναν φθηνό δρόμο προς τα ευέλικτα ‘πράσινα’ πλαστικά Χορηγία εικόνας από David Bradley

“Η γλουτένη, για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βίο-πλαστικό με πολλές δυνατές εφαρμογές,” λέει ο Αποστόλης, “ενώ οι αραβοξυλάνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ιατρικές εφαρμογές, έτσι ώστε κανένα από τα παραπροϊόντα των δημητριακών σπόρων να μη πάει χαμένο.” Ο Colin προσθέτει: “Η σύγχρονη βιομηχανία πλαστικών θα πρέπει σταδιακά να στραφεί από τις πετροχημικές διαδικασίες σε ανανεώσιμες πρώτες ύλες βασιζόμενες στη βιομάζα. Η επικείμενη εξάντληση των πηγών πετρελαίου θα απαιτήσει αυτή την αλλαγή,” λέει, “κάνοντας τα δημητριακά τον πιο σημαντικό υποψήφιο ως ακατέργαστα υλικά για την παραγωγή βίο-πλαστικών. ” Σύμφωνα με τον Colin, η επιτυχία αυτής της προσπάθειας θα εξαρτηθεί από τη συνεργασία με βιομηχανικούς ή άλλους συνεργάτες, που μπορούν να παρέχουν επιδεξιότητα στις ανάγκες της αγοράς, στις κλιμακούμενες βιομηχανικές διαδικασίες, στη χημεία, στην καλλιέργεια των σπόρων, και στην ανάλυση του κύκλου ζωής. Ο Colin σχολιάζει: “ Ο τρόπος με τον οποίο έχει αντιμετωπιστεί αυτή η εργασία, στοχεύει στη βελτίωση της οικονομίας από την παραγωγή βίο-πλαστικών μέσω μικροβιακής ζύμωσης, που είναι ένα από τα πιο σημαντικά κωλύματα σ’ αυτή τη διαδικασία.” Αν είναι επιτυχής, τότε το πλαστικό παιχνιδάκι μέσα στο κουτί δημητριακών μπορεί μια μέρα να διατηρείται τόσο όσο και τα δημητριακά.

Αναφορές στο διαδίκτυο

w1 – Το EPSRC χρηματοδοτεί την έρευνα και τη μεταπτυχιακή εξάσκηση στη μηχανική και στις φυσικές επιστήμες σε πανεπιστήμια και άλλα ιδρύματα σε όλο το Ηνωμένο Βασίλειο.

Ο David Bradley είναι ένας επαγγελματίας επιστημονικός συγγραφέας. www.sciencebase.com

Αυτό το άρθρο εκδόθηκε για πρώτη φορά στο Τεύχος 37 του Newsline, ένα τριμηνιαίο περιοδικό που αναδεικνύει την καλύτερη έρευνα χρηματοδοτούμενη από το EPSRC: www.epsrc.ac.uk