Plasty, prirodzene Understand article

Preložila: Ľudmila Velčeková. Sedíme na nich, nosíme ich, varíme s nimi, plasty sú všade.Už táto mnohoúčelovosť a množstvo kladie väčšie nároky na  výrobu a odstraňovanie plastov environmentálne vyhovujúcim spôsobom. David Bradley vysvetľuje ako vedci…

Professor Webb
Z archívu Univerzity v
Manchestri

Lacná plastová hračka vo vašej rannej cereálnej krabičke je dobre vyzerajúce raňajkové klišé. Aj napriek každoročnému odstraňovaniu miliónov ton plastového odpadu je jeho nárast problémom  vyžadujúcim vážnejšie diskusie ako debata nad cornflakesmi. Práca vedúceho skupiny Collina Webba a jeho kolegov Rouhanga Wanga a Apostolisa Koutinasa v Satake, Centre pre techniku spacovania zrna na Univerzite v Manchestri smerujú  k fantastickým výsledkom, ktoré nielen sľubujú riešiť problém odstraňovania, ale aj otvárajú novú dlhodobo fungujúcu budúcu výrobu  plastov.

S podporou Rady výskumu technických a fyzikálnych vied (EPSRC)w1, výskumníci spájajú techniku a biotechnológiu s cereálnou chémiou, aby vyvinuli originálny a vysokoefektívny spôsob premeny cereálnych zŕn na biologicky odbúrateľné biopolyméry. Tiež rozvíjajú výrobné techniky pre odstránenie vlákniny otrúb – takzvané „perlenie“- ktoré bude fungovať ako všeobecný nástroj pre získavanie užitočných zlúčenín zo širokého radu cereáli a umožní im byť prekurzorom pre nové materiály.

Použitím techniky známej
ako perlenie zrna, sa vedci
pokúšajú odlúpnuť vonkajšiu
vrstvu semien, ktoré sa
potom zomelú na múku a tak
vytvoria východiskový
materiál spolu so živinami a
enzýmami, vhodný na
potravu pre príslušné
mikroorganizmy, aby
produkovali bioplasty

Z archívu Univerzity v
Manchestri

Tieto by mohli obsahovať cukry s krátkym reťazcom pre ďalšie kvasenie, arabinoxylany pre medicínske využitie, antioxidant kyselinu ferulovú (prekurzor pre aromatické zlúčeniny ako vanilín), ako aj konkrétne potraviny.

Vyhnutie sa skladovaniu pod zemou

Plasty urobili zásadný prevrat v modernom živote, tým, že nám poskytli všetko, od nylonových pančúch po PVC krúžky na prerezávanie zubov a hypoalergénne gumené kondómy. Plasty sú petrochemické produkty a s každoročnou produkciou pol miliardy ton sa spoliehame na fosílne uhľovodíky pre ich výrobu. Teda plasty na jedno použitie znamenajú, že sú vážnym environmentálnym problémom, pretože petrochemické produkty sa prirodzene nerozkladajú. Plastový odpad sa dá odstrániťspálením, ale to produkuje znečisťujúce látky.

Môžu sa recyklovať, ale to prináša problémy čistenia, triedenia a hľadania využitia  pre menej hodnotné materiály. Nanešťastie skladovanie odpadu pod zemou je v súčasnosti najbezpečnejšou a najlacnejšou metódou likvidácie odpadu. Ale ak sa 40% produkcie plastov zbavujeme uskladnením pod zemou, rýchlo to bude preplnené. „Environmentálne problémy, rastúce požiadavky na energiu, politické obavy a polovičné vyčerpanie ropy vytvorilo potrebu rozvoja udržateľnej technológie založenej na obnoviteľných surovinových zdrojoch“, vraví Colin. Spolu s jeho kolegami chce riešiť tento problém cez rozvoj východiskovej suroviny pre priemysel plastov založenej viac na obnoviteľnej cereálnej plodine, než na obmedzených zásobách ropy. “Výber vhodnej suroviny, ktorá by zásobovala udržateľné procesy je závislý na infraštruktúre, ekonomických a technologických faktoroch ako sú dostupnosť, zručná pracovná sila, spracovateľská technológia, cena a doprava“, vysvetľuje Apostolis. „Cereálie patria k tým niekoľkým obnoviteľným surovinám, ktoré spĺňajú tieto predbežné podmienky“. Cereálne zrná sú dostatočne výživné, aby vydržali hostiteľstvo mikroorganizmov, ako sú huby Aspergillus awamori, a to sa môže využiť pre rozvoj všeobecne použiteľných metód na zušľachtenie zrna na východiskovú surovinu použitím mikrobiálneo kvasenia, ktoré môže byť neskôr pozmenené chemicky, alebo ďalšou fermentáciou na biopalivo, preparáty alebo bioplasty (plasty odvodené viac z rastlinných zdrojov, než z ropných).

Vedci na Univerzite v
Manchestri veria, že s
použitím plasty
produkujúcich mikróbov,
polia s pšenicou môžu
nahradiť fosílne uhľovodíky,
ako zdroje pre mnohé plasty

Z archívu Davida Bradleya

Táto myšlienka má mnoho výhod, z ktorých nie najmenšou je, že obilie je obnoviteľným zdrojom a jeho využitie je nevyhnutne uhlíkovo neutrálne. Na dôvažok, produkty cereálnej chémie, vrátane bioplastov, budú biologicky odbúrateľné a napokon rozložené na nič viac než vodu a oxid uhličitý v pôde: ostrý kontrast k 10 000  ročnej dĺžke života polyetylénových a PVC produktov. Existuje tiež veľa socioekonomických výhod pre rozvoj cereálií ako východiskovej priemyselnej suroviny, zahŕňajúcich oslabujúcu istotu v klesajúcich ropných zásobách,  a v ziskoch farmárov pre zvyšujúce sa pestovanie cereálnych zŕn.

V súčasnej dobe existuje mnoho spôsobov výroby bioplastov. Prvý zahŕňa vnútrobunkovú produkciu kvasením východiskových surovín odvodených z cereálií alebo obilia. Tento prístup vyžaduje extrakčné a čistiace kroky. Druhá metóda zahŕňa techniku rastu plastu bez rastliny samej, a tým nevyžaduje žatvu a čistenie. Napokon cereálie môžu byť použité na tvorbu  rôznych prekurzorov, ktorých kvasením tiež môžu vznikať bioplasty. Ak prírodné mikroorganizmy nevedia vytvoriť požadované bioplasty, tak môžu byť geneticky upravené pre túto prácu.

Šikovné mikróby

Mikróby  produkjúce plasty používajú jednoduché sacharidy, napr. glukózu, ako zdroj  uhlíka a organické zlúčeniny dusíka ako aminokyseliny a krátke peptidy kvôli ich dusíku. Všetky tieto živiny sú prítomné v cereálnych zrnách. Naviac, zrná obsahujú vitamíny a minerály nevyhnutné pre mikrobiálny rast. Niektoré zrná majú veľkú schopnosť  produkovať funkčné chemické zdroje. Pšenica napríklad obsahuje užitočný aglutinin a lipidy, arabinoxylan, kyselinu fytovú a vitamíny a sacharidy s krátkymi reťazcami. „Perlenie“ zrna, na odlúpanie vonkajšej vrstvy semena a potom zomletie na múku, vytvárajú počiatočný materiál spolu so živinami a enzýmami, ktoré môžu príslušné mikroorganizmy konzumovať,  aby mohli tvoriť bioplasty. „Táto biorafinačná stratégia poskytuje komplexné potravinové zásoby pre následné mikrobiálne kvasenie na produkciu bioplastov a ďalších chemických látok”, vraví Colin.

V súčasnosti biologicky
odbúrateľné polyméry ako
PHB (estery kyseliny
polyhydroxybutanovej – ktorého štruktúra je tu
ukázaná) sú pre výrobu
drahé a nevhodné na mnohé
použitia. Výskumníci z EPSRC
veria, že nájdu lacnú cestu k
univerzálnym „zeleným“
plastom

Z archívu Davida Bradleya

“Microbial bioplastics will find many applications as disposable plastics, such as food packaging, that cannot be recycled.”
Professor Colin Webb

Nebude možné vyvinúť výrobnú metódu pre bioplasty na všetky použitia, ale výskumníci dúfajú, že na väčšinu z nich. „Mikrobiálne bioplasty nájdu mnohé využitia napr. plasty na jedno použitie, ako sú obaly na potraviny, ktoré sa nemôžu použiť viackrát. Je tiež možné zmiešať bioplasty s inými materiálmi, aby sa vyrobili bioplasty odolné proti biodegradácii. Na dôvažok, recyklácia  by sa mohla rozvinúť do všeobecnej metodiky na obnovu látok s dlhou životnosťou”, dodáva Colin. Tradičné postupy spracovania zŕn na výrobu obilného sirupu a ďalších  potravinových produktov  pre ľudí aj zvieratá, produkujú mnoho odpadu a odpadových vôd, sú drahé a nie úplne využívajú bohatú chémiu týchto prírodných produktov, vrátane neoceniteľných živín a enzýmov. Manchesterský tím sa v ich nových postupoch pokúsil preskúmať plný potenciál celého cereálneho zrna, ktoré vytvára funkčne schopnú biorafinériu na výrobu bioplastov ako aj ďalších doplnkových produktov. Ich prístup skúma nové možnosti trhu.

„Glutein napríklad by mohol byť použitý ako bioplast na mnohé účely“, vraví Apostolis, „kým arabinoxylany by sa mohli použiť na medicínske účely, takže by žiadne vedľajšie produkty nevyšli nazmar.“dodáva Colin. „ Súčasný priemysel produkujúci plasty sa bude musieť postupne preorientovať zo spracovania petrochemických látok na obnoviteľné východiskové suroviny na báze biomasy. Bezprostredne hroziace vyčerpanie petrochemických zdrojov posilní túto zmenu“, hovorí, „ urobí z cereálií najvýznamnejšieho kandidáta  na surovinu pre výrobu bioplastov“. Podľa Colina úspech tohto úsilia bude závisieť na spolupráci s priemyselnými alebo akademickými partnermi, ktorí môžu uskutočniť expertízy spotrebného trhu, priemyselných možností výroby, chémie, pestovania cereálnych zŕn a analýzy ich životnosti. Colin komentuje: „Cesta, ktorú tento projekt  priblížil, sa zameriava na  rozvoj  ekonomiky pre výrobu bioplastov cez mikrobiálne kvasenie, ktoré je jednou z najväčších prekážok v tomto procese“. Ak budú úspešní, potom plastická hračka vo vašej cereálnej krabičke môže jedného dňa byť tak vyhovujúca ako cereálie samotné.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – EPSRC poskytuje výskum a tréning v technických a fyzikálnych vedách na univerzitách a ďalších organizáciách vo Veľkej Británii.

Author(s)

Dávid Bradley je profesionálny prírodovedný spisovateľ. www.sciencebase.com

Tento článok bol prvýkrát publikovaný v časopise Newsline, č 37, vydávaný štvrťročne, ktorý upozorňuje na najlepšie výskumy podporované EPSRC: www.epsrc.ac.uk


Review

Vo vyučovacích hodinách prírodných vied nie je zahrnutá výroba plastov, ale tento článok skúma jednu z tých okrajových oblastí, ktoré zodpovedajú hlavným problémom rozvoja ľudskej spoločnosti.

V súčasnej dobe udržateľnosť prírodných zdrojov a ľudskou činnosťou posiľňované globálne otepľovanie sú limitujúcimi faktormi pre akýkoľvek model sociálneho rozvoja. Kým niektoré skupiny presadzujú dohody pre podporu rozvoja nukleárnej energie alebo alternatívnych zdrojov energie, Bradley dáva najavo, že výhody účinného riadenia obnoviteľných zdrojov by mohli mať pozitívny efekt.

Tento článok je o hospodárnosti, udržateľnosti, redukcii našich uhlíkových stôp (pozostatkov tažko rozložiteľných organických látok), prírodných zdrojoch a sociálnej štruktúre. Naviac ukazuje, ako vedecká špecializácia (tak často kritizovaná) napomáha vo veľmi malých oblastiach poznania, ktoré môžu mať veľký význam.

Čo sa týka školy, článok má interdisciplinárne použitie. Veda o životnom prostredí a environmentálne vzdelávanie učiteľov v stredných školách ho môžu použiť na názorné objasnenie a prácu s určitými základnými konceptami ako sú udržateľnosť, kolobeh uhlíka, vplyv ľudskej činnosti, zmeny sociálnej štruktúry, alebo význam zachovania poľnohospodárstva a pôdy.

Niektoré možné aktivity vzťahujúce sa k článku sú:

  1. Študenti môžu vypracovať jednoduchý index udržateľnosti rôznych zdrojov (konvenčné plasty, bioplasty, poľnohospodárska pôda, hnojivá na báze dusičnanov, lesy a lesníctvo, ropa, biopalivá atď.) a využiť ich na diskusiu o ich dôsledkoch.

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

    Kde: NGa = Množstvo prirodzene vytvoreného  (hmotnosť za čas)
    RCr = Podiel recyklovaného (bezrozmerný od 0 do 1)
    RUr = Podiel znovu využívaného(bezrozmerný od 0 do 1)
    HUa = Množstvo využívané ľuďmi (hmotnosť za čas)
    Da = Rozložené množstvo (hmotnosť za čas)
     

  2. Študenti môžu vypracovať jednoduchý model kolobehu uhlíka a tým uviesť dôsledky užívania bioplastov a biopalív.
  3. Článok sa zmieňuje o vplyve bioplastov na vzťah medzi poľnohospodárstvom a priemyselnou štruktúrou. Učitelia môžu spojiť koncepty biodiverzity a sociálnej rozmanitosti s ich vplyvom na ekosystém a spoločenskú stabilitu alebo prežitie.
  4. Bioplasty (a biopalivá) potrebujú poľnohospodárstvo a pôdu. Učitelia môžu urobiť pokusy na význam ochrany, erózie a kontaminácie pôdy.
  5. Študenti môžu zhodnotiť podiel a množstvo použitia plastov v ich triede a uhlíkovú stopu skupiny. Potom môžu študenti odhadnúť účinok ich uhlíkovej stopy na posun od konvenčných plastov k bioplastom.
  6. Učitelia môžu pomôcť svojim študentom nakresliť graf pre procesy zahŕňajúce výrobu a použitie niektorých produktov: bioplasty alebo fľaše vyrobené z ropných plastov, drevené alebo kovové dosky, nafta alebo biopalivá.
  7. Učitelia tiež môžu použiť niekoľko nepriamych otázok, aby poukázali na to, ako môžu bioplasty ovplyvniť náš život. Ako príklady môžu slúžiť: Ako môžu bioplasty pomôcť zachrániť ľadovce Antarktídy? Ako môžu bioplasty zabrániť zmenám zapríčinených zvyšovaním hladiny morí? Ako môžu bioplasty zachrániť vtáky, ktoré žijú na smetisku vášho mesta?

Juan de Dios Centeno Carrillo, Španělsko




License

CC-BY-NC-ND