Műanyag, természetesen Understand article

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna. 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…

Professor Webb
University of Manchester szíves
hozzájárulásával

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.

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

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.

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.

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 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.

“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.

Download

Download this article as a PDF

Web References

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

Author(s)

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


Review

A természettudomány tananyagban általában nem szerepel a műanyaggyártás, ez a cikk azonban olyan természettudományhoz kapcsolódó területet tár fel, amely igen fontos az emberi társadalom alakulása szempontjából.

Napjainkban a társadalmi fejlődés fő akadálya a természeti erőforrások kimerülése és az ember által okozott globális felmelegedés. Vannak olyan csoportok, amelyek a nukleáris energia növekvő felhasználásában látják a megoldást, míg mások az alternatív energiaforrások alkalmazásában, Bradley ezzel szemben rámutat arra, hogy a megújuló források felhasználásának pozitív hatása lehet.

Ez a cikk a hatékonyságról, a fenntarthatóságról, a természeti erőforrásokról és a társadalom felépítéséről szól, valamint arról, hogyan csökkenthetjük az ember ökológiai lábnyomát a szén természetes ciklusának esetében. Ráadásul azt is megmutatja, hogy egy természettudományos eredmény, amely egy nagyon szűk területen növeli az ismereteinket, sokkal tágabb értelemben is hasznosnak bizonyulhat.

Az iskolában a cikket többféle tantárgy tanításánál lehet használni. Környezetvédelmi kérdések tárgyalása során középiskolában vagy a főiskola első éveiben a segítségével illusztrálhatjuk a fenntarthatóság fogalmát, a szén körforgását, az emberi tevékenység hatását, a társadalmi rendszerek változását, vagy a földművelés és a talaj megőrzésének fontosságát.

Néhány lehetőség a cikk feldolgozására:

  1. A tanulók kiszámíthatják az egyszerű fenntarthatósági indexet a különböző források esetében (hagyományos műanyagok, bioműanyagok, termőföld, nitrogén-műtrágyák, fa és erdők, kőolaj, bioüzemanyagok, és így tovább) és megtárgyalhatják, hogy milyen hatással van a környezetre ezek felhasználása.

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

    Ahol: NGa = természetes keletkezési mennyiség (tömeg/ időtartam)
    RCr = újrafeldolgozási arány (mértékegység nélküli, 0 és 1 között)
    RUr = újrahasznosítási arány (mértékegység nélküli, 0 és 1 között)
    HUa = az ember által felhasznált mennyiség (tömeg/ időtartam)
    Da = a lebomlott mennyiség (tömeg/ időtartam)
     

  2. A tanulók kidolgozhatnak egyszerű modelleket, amelyeken bemutatják, hogy milyen hatással lehet a szén-ciklusra a bioműanyagok éa a bioüzemanyagok felhasználása.
  3. A cikkben szó esik arról is, hogy a bioműanyagok milyen hatással lehetnek a mezőgazdaság és az ipar közötti kapcsolatra. Lehet beszélni a biológiai és a társadalmi sokféleségről is és ezzel összefüggésben az ökorendszerek és a társadalmi rendszerek stabilitásáról és túléléséről is..
  4. A bioműanyagok (és a bioüzemanyagok) előállításához mezőgazdaság és termőtalaj szükséges. A tanárnak el kell magyaráznia a talaj megőrzésének fontosságát, az erózió és a szennyezés fogalmát.
  5. A tanulók kiszámolhatják az osztályukban összegyűlt szemétben a műanyagok arányát és a tanulócsoport ‘lábnyomát’ a szénfelhasználás területén. Azután a tanulók megbecsülhetik, hogy milyen hatása lenne annak, ha áttérnénk a hagyományos műanyagról a bioműanyagra.
  6. A tanár segíthet a tanulóknak egy olyan folyamatábra elkészítésében, amely egymással párhuzamosan mutatja az előállított és a hulladékként kidobott anyagok mennyiségét néhány termék esetében: bioműanyagból és kőolajalapú műanyagból készített palackok, fa és fém asztalok, dízel és biodízel üzemanyag.
  7. A tanár feltehet olyan további kérdéseket, amelyek azt kutatják, hogy milyen hatással lehet a bioműanyagok felhasználása az életünkre. Néhány ötlet: hogyan segítheti a bioműanyagok felhasználása az Antarktisz megóvását? A tengerszint változásának elkerülését? Hogyan óvhatja meg a bioműanyag felhasználás azokat a madarakat, amelyek a lakóhelyünk szeméttelepén élnek?

Juan de Dios Centeno Carrillo, Spanyolország




License

CC-BY-NC-ND