Plàstics, naturalment Understand article

Traducció de Mireia Bes. Ens hi asseiem a sobre, els vestim i fins i tot els utilitzem per a cuinar: els plàstics es troben per tot arreu. Malgrat la seva versatilitat i abundància són difícils de produir i és també difícil desfer-se’n d’una manera respectuosa amb el medi ambient. En…

Professor Webb
Imatge cortesia de la
Universitat de Manchester

Una petita joguina de plàstic que apareix dins la capsa de cereals és una imatge freqüent als nostres esmorzars. Tanmateix, el tractament dels milions de tones de residus plàstics que es generen cada any és un problema creixent que requereix discussions més serioses que una conversa davant del bol de cereals. Els treballs de l’equip liderat per Colin Webb i els seus col·legues Ruohang Wang i Apostolis Koutinas al Centre Satake de Processament de Llavors i Enginyeria (Satake Centre for Grain Process Engineering) de la Universitat de Manchester, podrien conduir a una solució que no tan sols promet solucionar el problema del tractament dels residus plàstics, sinó que obre també una porta a noves formes de producció sostenible.

Amb el suport del Consell de Recerca en Enginyeria i Ciències Físiques (Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC)w1, els investigadors combinen processos d’enginyeria i biotecnologia amb la química dels cereals per tal de poder desenvolupar una manera nova i altament eficient de convertir els grans de cereals en plàstic biològics i biodegradables. També estan treballant en les tècniques d’extracció de la clova dels cereals (anomenades “pearling”) , que s’utilitzaran com a eina general per extreure components útils d’un ampli ventall de cereals que podran ser utilitzats com a percussors de nous materials.

Utilitzant una tècnica
coneguda com a “pearling”
els investigadors volen
extreure les capes exteriors
de les llavors, que poden ser
convertides aleshores en
farina, produint un material
ple de nutrients I enzims que
els microorganismes
adequats utilitzen com a font
d’aliment per a produir
plàstics biològics

Imatge cortesia de la
Universitat de Manchester

Aquests podrien incloure cadenes curtes de sucres per a altres fermentacions, arabinoxilans per aplicacions mèdiques, l’antioxidant àcid ferúlic (percussor de compostos aromàtics com la vanil·lina), així com també aliments funcionals.

Evitar els abocadors

Els plàstics han revolucionat la vida moderna, proporcionant-nos des de mitges de niló a mossegadors de PVC passant per condons hipoal·lergènics de goma sintètica. Malgrat això, els plàstics són productes petroquímics, i per la seva producció anual de mig bilió de tones, depenem d’hidrocarburs fossilitzats. Encara més, la seva naturalesa com a productes d’utilitat limitada fa que siguin un greu problema ambiental, ja que els productes petroquímics no es degraden de manera natural. Els plàstics de rebuig es poden eliminar mitjançant la incineració, però aquest és un sistema que produeix contaminants.

Es poden reciclar però això comporta problemes com la seva neteja, la classificació i el fet de trobar aplicacions per als materials de baixa qualitat que en resulten. Desafortunadament, els abocadors són actualment el sistema més segur i econòmic per a  desfer-se’n. Ara bé, tenint en compte que un 40% dels plàstics produïts es llancen als abocadors, aquests s’estan omplint a una gran velocitat. “Els aspectes ambientals, la demanda creixent d’energia, preocupacions polítiques i l’esgotament a mig termini del petroli, han creat la necessitat de desenvolupar tecnologies sostenibles basades en matèries primeres renovables” diu Colin. Conjuntament amb els seus companys, espera dirigir aquesta problemàtica cap al desenvolupament de matèries primeres alternatives per a la indústria del plàstic, que es basin en cultius de cereals i que per tant siguin renovables, enlloc de continuar depenent de les reserves limitades de cru.” La selecció de la matèria primera adequada per aprovisionar processos sostenibles depèn de les infraestructures i de factors econòmics i tecnològics , com ara la seva disponibilitat, la mà d’obra especialitzada, la tecnologia de pretractament i el seu cost, i el transport” explica Apostolis. “Els cereals són una matèria primera que compleix pràcticament tots els prerequisits.” Els grans de cereal són suficientment nutritius per mantenir una munió de microorganismes, com per exemple el fong Aspergillus awamori, i aquests es poden explotar desenvolupant un mètode genèric per a refinar els grans en matèria primera mitjançant la fermentació microbiana. Aquesta matèria primera pot ser convertida posteriorment químicament o a través de fermentacions en biocombustibles, productes químics o plàstics biològics (derivats de fonts vegetals, enlloc de fonts petrolíferes).

Els investigadors de la
Universitat de Manchester
creuen que utilitzant els
microbis productors de
plàstic, els camps de blat
podrien reemplaçar els
hidrocarburs fòssils com a
fon de producció per d’una
gran quantitat de plàstics

Imatge cortesia de David
Bradley

Aquesta idea té molts avantatges, sobretot pel fet que els cultius són una font renovable i que el seu ús és neutral des del punt de vista del carboni. A més a més, els productes de la química cereal, incloent-hi els plàstics biològics, seran biodegradables, descomponent-se finalment en aigua i diòxid de carboni, un contrast agut amb la vida mitjana de 10000 anys dels actuals productes de politè i PVC.  El desenvolupament dels cereals en indústria de matèries primeres també presenta molts avantatges socioeconòmics, incloent una disminució de la dependència de les reserves de cru i beneficis per als grangers deguts a l’augment del cultiu de cereals.

Actualment hi ha tres formes de produir plàstics biològics. El primer implica producció intracel·lular a través de la fermentació d’una matèria primera provinent d’un cereal o d’un altre cultiu. Aquesta aproximació requereix fases d’extracció i purificació. El segon mètode implica modificar genèticament un cultiu per a fer créixer el plàstic dins mateix de la planta, això requereix fer-ne la collita i una posterior purificació. Finalment, es podria fer que els cereals produïssin diferents percussors, a través de la fermentació, que podrien ser processats per aconseguir plàstics biològics. Si els microorganismes naturals no poden produir el plàstic desitjat, també podrien ser modificats genèticament per a poder dur a terme la tasca.

Microbis intel·ligents

Els microbis productors de plàstic utilitzen sucres simples, com la glucosa, com a font de carboni, i compostos orgànics nitrogenats, com els aminoàcids o pèptids curts, com a font de nitrogen. Tots aquests nutrients es troben presents als grans de cereals. A més a més, els grans també contenen les vitamines i els minerals essencials per al creixement microbià. Alguns grans tenen a més un gran potencial per a la producció de fonts químiques funcionals. El blat, per exemple, conté aglutinina i lípids, arabinoxilans, àcid fític i vitamines, i sucres de cadena curta. Es molen les llavors després d’extreure’n les capes més exteriors, així es produeix una material ple de nutrients i enzims que els microorganismes adequats poden utilitzar com a aliment i així produir plàstics biològics. “Aquesta estratègia de refineria biològica produeix reserves alimentàries per a la producció de plàstics biològics o altres productes químics a través de les fermentacions microbianes” diu Colin.

Actualment els polímers
biodegradables com el PHB
(polihidroxibutirat,
l’estructura del qual les
mostra aquí) són producció
cara i no són adequats per a
moltes aplicacions. Els
investigadors de l’EPSRC
esperen trobar una via
assequible cap als plàstics
“verds”

Imatge cortesia de David
Bradley

“Els plàstics biològics tindran moltes aplicacions com a plàstics d’un sol us, com ara els envasats alimentaris, que actualment no es poden reciclar.”
Professor Colin Webb

No serà possible desenvolupar metodologies per a produir plàstic  per a totes les aplicacions, però els investigadors esperen poder cobrir els més basics. “Els plàstics d’origen microbià trobaran una gran sortida com a plàstics d’un sol us, com per exemple els envasos alimentaris, que no poden ser reciclats. També és possible combinar plàstics biològics  amb altres materials per fer plàstics que siguin resistents a la biodegradació. A més a més el reciclatge es podria desenvolupar com una metodologia genèrica per a la reproducció de materials productes de llarga durada.”, afegeix Colin. El processat convencional dels grans per a la producció de xarop de blat de moro i altres aliments i ranxo per als animals produeix moltes deixalles i malgasta molta aigua, és car, i no utilitza tota la riquesa química d’aquests productes naturals, incloent-hi nutrients i enzims de gran valor. En el seu nou procés, l’equip de Manchester ha intentat explotar el potencial total dels grans de cereal, per tal de crear refineries biològiques viables per a la producció de plàstics biològics i d’altres productes. Aquesta aproximació investiga noves aplicacions al mercat.

“El gluten, per exemple, podria ser utilitzat com a plàstic amb moltes aplicacions potencials”  diu l’Apostolis, “els arabinoxilans es podrien utilitzar en aplicacions mèdiques de manera que cap part del gra seria malgastada”. Segons en Colin: “L’actual industria productora de plàstic haurà de passar gradualment de l’ús de petroquímics a l’ús de matèries renovables. L’esgotament imminent de les fonts de petroli forçarà aquest canvi, convertint els cereals en els candidats a matèria primera per a la producció de plàstics ”. Segons en Colin, l’èxit d’aquest esforç dependrà de la col·laboració amb l’industria o amb altres experts que puguin aportar els seus coneixements sobre les necessitats del mercat, la producció a escala industrial, química, cultiu dels cereals i anàlisis del cicle de vida. “Aquest projecte ha estat enfocat per a millorar l’economia de la producció de plàstics biològics via fermentació microbiana, que és un dels majors impediment en el procés”. Si té èxit, pot ser que un dia la joguina de plàstic a la capsa de cereals sigui tan sostenible com els propis cereals.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – L’EPSRC fsubvenciona la investigació i la formació de postgrau en enginyeria i ciències físiques en universitats i altres organitzacions del Regne Unit.

Author(s)

En David Bradley és un escriptor científic professional. www.sciencebase.com

Aquest article vas ser publicat per primera vegada al número 37 de Newsline, una revista trimestral que destaca la millor recerca recolzada per l’EPSRC: www.epsrc.ac.uk


Review

La producció del plàstics no és un tema que s’inclogui normalment a les classes de ciències, però aquest article explora un d’aquests camps de la ciència perifèrics però  rellevants per a un dels principals problemes de les societats humanes, el desenvolupament.

Avui en dia, els recursos naturals sostenibles i l’escalfament global esperonat amb l’activitat humana, són factors limitants per a qualsevol model de desenvolupament social. Mentre alguns grups defensen l’energia nuclear o el desenvolupament de fonts d’energia alternatives, en David Bradley ens demostra que avenços en una gestió més eficient dels recursos renovables podrien tenir un efecte positiu.

L’article tracta sobre l’eficàcia, el desenvolupament sostenible, la reducció de la nostra petjada de carboni, els recursos naturals i l’estructura social. A més a més ens mostra com l’especialització científica (sovint criticada) fa possible que avenços en petites àrees de coneixement puguin ser útils en un àmbit molt més ampli.

Dins l’aula, l’article té una aplicació interdisciplinària. Els professors de ciències ambientals i d’educació ambiental de secundària i batxillerat poden utilitzar-lo per il·lustrar i treballar diferents conceptes com són el desenvolupament sostenible, el cicle del carboni i l’efecte de la influència humana, els canvis en l’estructura social o la importància de l’agricultura i de la conservació del sòl.

Proposta d’activitats relacionades amb l’article:

  1. Els estudiants poden calcular un índex de desenvolupament sostenible per a diferents recursos (plàstics convencionals, plàstics biològics, sòl agrícola, fertilitzants de nitrats, fusta, oli, biocombustibles, i així successivament) i utilitzar-lo per a discutir-ne les conseqüències ambientals.

    S =     NGa x (1 +RCr +RUr) 
                         HUa + Da

    Con: NGa = Producció natural (massa/temps)
    RCr = Taxa de reciclatge (adimensional, de 0 a 1)
    RUr = Taxa de reutilització (adimensional, de 0 a 1)
    HUa = Usos humans (massa/temps)
    Da = Degradació (massa/temps)
     

  2. Els estudiants poden dissenyar models simples del cicle de carboni introduint-hi els efectes dels plàstics biològics o els biocombustibles.
  3. L’article menciona la influència dels plàstics biològics en la relació entre l’agricultura i la industria. El professor pot relacionar els conceptes de biodiversitat i diversitat social amb la seva influència en la estabilitat i supervivència dels ecosistemes i societats.
  4. Els plàstics biològics (i  els biocombustibles) necessiten a l’agricultura i sobretot al sòl. El professor pot explorar la importància de la conservació del sòl i introduir temes com l’erosió i la contaminació.
  5. Els estudiants poden avaluar la taxa o quantitat de plàstics d’un sol ús que es troba a l’aula, i calcular la petjada de carboni del grup. Poden estimar també l’efecte que tindria el canvi de plàstic convencional per plàstic biològic en la petjada de carboni.
  6. Els professors poden ajudar als alumnes a fer diagrames de flux per als processos involucrats en la producció i l’eliminació de diversos productes: ampolles de plàstic biològic o de petroplàstic, taules de fusta o de metall, diesel o biocombustibles.
  7. A través de la proposta de temes indirectes els alumnes poden deduir com els plàstics biològics poden influir en les nostres vides. A tall d’exemple podríem proposar alguna de les qüestions següents: Com poden ajudar els  plàstics biològics a salvar els glacials de l’Antàrtic? Com poden ajudar a evitar els canvis en el nivell del mar? Com poden salvar els ocells que viuen als abocadors?

Juan de Dios Centeno Carrillo, Espanya




License

CC-BY-NC-ND