Műanyag, természetesen

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna

Professor Webb University of Manchester szíves hozzájárulásával

Ülünk rajtuk, magunkon viseljük, főzünk velük: mindenhol műanyagokkal találkozunk. Mivel sokféle van belőlük és igen elterjedt a használatuk, bonyolult feladatot jelent az előállításuk és később a belőlük keletkezett hulladék környezetbarát elhelyezése. David Bradley elmagyarázza, hogyan dolgoznak a University of Manchester egyetem (UK) kutatói a problémák  megoldásán.

Megszokott dolog, hogy a reggeli gabonapely dobozában olcsó műanyag játékot találunk. Azonban az évente keletkező több millió tonna műanyag hulladék elhelyezése egyre nagyobb problémát jelent és ezt nem lehet megoldani egy könnyed reggeli csevegés közben. Colin Webb és kutatócsoportjának tagjai, Ruohang Wang és Apostolis Koutinas, a manchester-i egyetemen a gabonafeldolgozás műszaki feladatainak megoldásával foglalkozó Satake központ (University of Manchester a Satake Centre for Grain Process Engineering) munkatársai fantasztikus módszert találtak, amelytől nemcsak a műanyag hulladék-elhelyezés gondjának megoldását remélik, hanem azt is, hogy a gyártási eljárás a fenntartható fejlődést biztosítja.

A kutatók az Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC)w1 (műszaki és fizikai kutató intézet) támogatásával új és hatékony eljárást dolgoztak ki, amelyben kombinálták a műszaki és a biotechnológiai módszereket a szerveskémia eredményeivel és így megtalálták a lehetőséget arra, hogy gabonamagvakból biológiai úton lebomló műanyagot állítsanak elő. A korpa elválasztására is kidolgoztak egy eljárást, amelyet széles körben lehet majd alkalmazni arra, hogy a különféle gabonákból hasznos vegyületeket nyerjenek ki, amelyekből új anyagokat lehet majd előállítani. Ezek közé tartoznak a rövid-láncú cukrok, amelyeket erjesztéssel alakítanak tovább, a gyógyászati célra használható arabinoxylan vegyületek, az antioxidáns hatású ferulic sav (amely egyes aromás vegyületek, mint például a vanilin előállítására használható) valamint különböző ételek.

A feldolgozás során a kutatók a gabonamagvakat először hántolják, vagyis eltávolítják a legkülső réteget, azután lisztté őrlik, így egy olyan kiindulási anyagot kapnak, amely a mikroorganizmusok számára tartalmazza a megfelelő tápanyagokat és enzimeket a bioműanyagok előállításához. University of Manchester szíves hozzájárulásával

Kerüljük el a szemétlerakót

A műanyagok forradalmasították a modern életet, nekik köszönhetünk sok mindent a nylon zoknitól a babák számára készített rágókákig illetve az allergiát okozó szintetikus  gumióvszerig. A műanyagokat kőolajból állítják elő, ezért az évi félmilliárd tonna műanyag gyártásához nagy mennyiségű fosszilis szénhidrogénre van szükség. Ezenkívül komoly környezeti problémát jelent a műanyag hulladék kezelése, mivel a kőolajalapú vegyületek nem bomlanak le a természetben. A műanyagot meg lehet semmisíteni hulladékégetőkben, azonban az eljárás során környezetszennyező anyagok keletkeznek.

Az újrahasznosítás is lehetséges, de ez felveti a tisztítás, a válogatás és a rossz minőségű anyag felhasználásának problémáját. Sajnos még ma is a hulladéklerakók jelentik a legbiztonságosabb és a legolcsóbb megoldást. Azonban mivel az előállított műanyag  40%-a a lerakókba kerül, ezek hamar megtelnek. “A környezeti problémák, az energiaéhség és a kőolajkészletek gyors csökkenésének politikai következményei meggyorsítják olyan környezetbarát technológiák kifejlesztését, amelyek megújuló nyersanyagokat használnak fel” – mondja Colin. Munkatársaival együtt abban reménykedik, hogy sikerül kifejleszteni egy olyan eljárást, amellyel a korlátozott mennyiségű kőolaj helyett a megújuló gabonából nyerhetnek alternatív alapanyagot a műanyagipar számára. “Azt az eljárást érdemes kiválasztani a nyersanyagok előállításához, amely megfelelőnek bizonyul infrastrukturális, gazdasági és technológiai szempontból, vagyis könnyen elérhető a nyersanyag, rendelkezésre áll a képzett munkaerő és a feldolgozási technológia, alacsonyak a költségek és egyszerű a szállítás” – magyarázza Apostolis. “A kalászosok azon megújuló nyersanyagok közé tartoznak, amelyek teljesítik ezeket az előfeltételeket.” A gabonamagvak elég táplálóak ahhoz, hogy sokféle mikroorganizmus, pl. az Aspergillus awamori gomba számára életfeltételt biztosítsanak. Ezt használhatja ki egy újonnan kifejlesztett eljárás, amelynek során a gabonát mikrobiológiai fermentáció segítségével alakítják nyersanyaggá, amelyből kémiai folyamatok illetve további fermentáció segítségével bioüzemanyagot, egyéb vegyületeket és bioműanyagot lehet előállítani.

A University of Manchester kutatói remélik, hogy a műanyag-termelő baktériumok felhasználásával a gabonaföldek biztosítják majd a nyersanyagot a műanyaggyártáshoz a fosszilis szénhidrogének helyett David Bradley szíves hozzájárulásával

Ennek a módszernek számos előnye van, ezek közül  a legfontosabb, hogy a gabona megújuló nyersanyagforrás, és a felhasználása nem borítja fel a szén természetes körforgását. Ezenkívül a gabonából nyert termékek, a bioműanyagokat is beleértve, biológiai úton elbomlanak, végső soron vízre és szén-dioxidra: ez élesen különbözik a polietilén és a polivinil-klorid 10 000 éves lebomlási idejétől. Sok szocio-gazdasági előnye van annak, hogy a gabonát ipari nyersanyagként használják, többek között az is, hogy így kevésbé függünk a csökkenő kőolaj készletektől, és a farmereknek is hasznot hoz a növekvő gabonatermelés.

Jelenleg három módszerrel tudnak bioműanyagot előállítani. Az elsőnél a gabona vagy más haszonnövény sejtjeiből fermentációval nyerik ki a nyersanyagot. Ennél az eljárásnál extrakciós és tisztítási műveleteket alkalmaznak. A másik módszernél a növényt úgy módosítják, hogy a műanyag magában a növényben “nőjön”, itt a betakarítás és a tisztítás a szükséges lépések. Végül a harmadik módszer esetében a gabonából, ismét fermentáció segítségével, különböző nyersanyagokat  állítanak elő, amelyekből ezután bioműanyagot lehet gyártani. Ha a természetben előforduló mikroorganizmusok nem képesek létrehozni az óhajtott bioműanyagot, akkor genetikailag módosított mikroorganizmusokat alkalmaznak a feladatra.

Okos mikróbák

A műanyag-előállító mikróbák a szénatomokat egyszerű cukor-molekulákból, például szőlőcukorból nyerik, a nitrogénatomokat pedig szerves nitrogén vegyületekből, például aminosavakból vagy egyszerű peptidekből. Ezek a vegyületek mind megtalálhatók a gabonákban. Ezentúl, a gabona növényekben jelen vannak azok a vitaminok és ásványi sók, amelyek nélkülözhetetlenek a mikróbák növekedéséhez. Némelyik gabonából többféle kémiai alapanyag is előállítható. Például a búza hasznos agglutinint, lipideket, arabinoxylant, phytic savat, vitaminokat és egyszerű cukrokat tartalmaz. A gabonamagvakat hántolják, vagyis eltávolítják a legkülső réteget, azután lisztté őrlik, így egy olyan kiindulási anyagot kapnak a bioműanyagok előállításához, amely sok tápanyagot és enzimet tartalmaz a mikroorganizmusok számára. “Ez a biológiai finomítási eljárás komplett tápanyagot biztosít azt ezt követő mikrobiológiai fermentációhoz, amellyel bioműanyagot és egyéb vegyületeket állítanak elő” – mondja Colin.

“A mikroorganizmusok segítségével előállított bioműanyagokból egyszer használatos termékeket készítenek, például ételek csomagolóanyagát, amit nem lehet újrahasznosítani.”
Colin Webb professzor

Az bizonyos, hogy nem leszünk képesek arra, hogy minden célra kifejlesszük a megfelelő bioműanyagot, de a kutatók abban reménykednek, hogy minél több feladatra alkalmazhatnak természetes alapú műanyagot. “A mikroorganizmusok segítségével előállított bioműanyagokból egyszer használatos termékeket készítenek, például ételek csomagolóanyagát, amit nem lehet újrahasznosítani.” A bioműanyagot másféle anyaggal is keverhetik, így az nem bomlik le biológiai úton. Ráadásul az újrahasznosítást általános módszerré fejleszthetik a tartós cikkek előállítására”- tette hozzá Colin. Amikor a gabonából élelmiszert vagy állati takarmányt állítanak elő, sok a veszteség és nem hasznosítják teljesen az ezekben a természetes termékekben lévő értékes vegyületeket – tápanyagokat, enzimeket. A Manchester csoport azt tűzte ki célul, hogy egy új eljárás segítségével a gabonából minden fontos nyersanyagot kinyerjenek, amelyeket bioműanyag és értékes adalékanyagok előállítására lehet használni. A termékeknek új alkalmazási területeket is próbálnak keresni.

Jelenleg a biológiai úton lebomló polimerek, mint például a PHB (polyhydroxybutyrate –amelynek a szerkezete itt látható) előállítása költséges, és csak kevés felhasználási területe ismert. Az EPSRC kutatói remélik, hogy megtalálják az olcsó eljárást arra, hogy sokféleképpen felhasználható ‘zöld’ műanyagot állítsanak elő. David Bradley szíves hozzájárulásával

“A glutinból például bioműanyagot lehet előállítani, amelyet sok területen felhasználhatnak” – mondja Apostolis – “míg az arabinoxylant gyógyászati célra alkalmazhatják, így nem vesznek kárba a gabona feldolgozása során keletkező melléktermékek.”  Colin hozzáteszi: “A műanyaggyártás során jelenleg alkalmazott kőolajalapú eljárásokról fokozatosan át kell térni a megújuló biomassza felhasználására. A kőolajkészletek ijesztő méretű csökkenése gyorsítani fogja a folyamatot,” – mondja - “és így a gabona a bioműanyag-gyártás legesélyesebb nyersanyag-jelöltévé válhat.” Colin szerint akkor lehet sikert elérni, ha megfelelő együttműködés jön létre az iparban dolgozó szakemberekkel és olyan kutatókkal, akik feltárják a piaci igényeket, akik ki tudnak fejleszteni a gabona feldolgozására ipari méretű eljárásokat és kémiai folyamatokat, és akik ismerik a gabonatermesztés folyamatát.  Colin hozzáfűzi: “ Akkor érnek majd el sikereket a mikrobiológiai fermentációval történő bioműanyag-gyártás területén, ha leküzdik a gazdasági akadályokat.” Ha ez sikerül, akkor egyszer a gabonapehely dobozába tett műanyag játék ugyanúgy lebomlik majd, mint maga a gabona.

Web hivatkozások

w1 – Az EPSRC támogatja a műszaki és természettudományos kutatást és a post-graduális továbbképzéseket  Nagy-Britannia egyetemein és más intézményeiben

David Bradley hivatásszerűen foglalkozik természettudományos ismeretterjesztéssel. www.sciencebase.com

Ezt a cikket először a Newsline 37. számában publikálták, amely egy negyedévenként megjelenő folyóirat, amelyben főként az EPSRC által támogatott kutatásokról szóló írások jelennek meg : www.epsrc.ac.uk