Ateriale plastice, desigur Understand article

Tradus de Komives Soimita. Tot mereu ne aşezăm pe ele, ne îmbrăcăm cu ele şi gătim ajutându-ne de ele: materialele plastice sunt pur şi simplu peste tot. Şi cu toate acestea, tocmai versatilitatea şi abundenţa lor fac să fie tot mai dificilă producerea şi eliminarea lor într-un…

Profesor Webb
Pentru imagine, mulţumim
Universităţii din Manchester

Jucăria confecţionată dintr-un plastic ieftin pe care o găsim în cutia de cereale la micul dejun este deja un clişeu banal, care nu ne mai surprinde dimineaţa. Cu toate acestea, eliminarea milioanelor de tone de deşeuri din plastic în fiecare an este deja o problemă din ce în ce mai gravă care necesită o discuţie mai serioasă decât acelea pe care oamenii le poartă cu privire la cerealele de la micul dejun. Eforturile depuse de conducătorul de proiect Colin Webb şi colegii săi Ruohang Wang şi Apostolis Koutinas de la Centrul Satake pentru Ingineria procesării cerealelor în cadrul Universităţii din Manchester se vor concretiza în găsirea unei soluţii extraordinare în privinţa materialelor plastice care nu numai că promite să rezolve problema eliminării lor, dar anunţă şi un viitor promiţător, de durată, în ceea ce priveşte producţia industrială.

Cu sprijinul Consiliului de cercetare în inginerie şi ştiinţele fizice (Engineering and Physical Sciences Research Council – EPSRC)w1, cercetătorii combină re-gândirea procesului de producţie  şi biotehnologia cu chimia aplicată în industria cerealieră pentru a dezvolta un model nou şi foarte eficient de convertire a  cerealelor în materiale plastice biodegradabile. De asemenea, ei doresc să extindă tehnicile de procesare pentru înlăturarea tărâţelor – aşa-numitul proces de ”albire”. Astfel, acestea vor deveni un instrument general folosit pentru extragerea compuşilor utili dintr-o gamă largă de cereale, permiţându-le să fie utilizate ca precursori ai unor materiale noi.

Astfel,Astfel,  zaharurile cu lanţuri scurte ar putea fi utilizate în alte procese de fermentare, arabinoxilanii ar putea avea aplicaţii în medicină, de asemenea acidul ferulic antioxidant (un precursor al compuşilor aromatici cum ar fi vanilina), sau alimentele funcţionale.

Prin utilizarea unei tehnici
cunoscută ca şi ”albirea”
bobului, cercetătorii doresc
să decojească miezul bobului
de straturile exterioare ale
bobului – acestea pot ulterior
să fie măcinate în făină şi pot
produce un material de bază
foarte bogat în nutrienţi şi
enzime cu care se pot hrăni
microorganismele pentru a
produce biomateriale plastice

Pentru imagine, mulţumim
Universităţii din Manchester

Evitarea depozitării deşeurilor din plastic într-o groapă de gunoi

Materialele plastice au revoluţionat viaţa oamenilor moderni, pentru că se regăsesc peste tot: de la ciorapii de nylon la inelele de PVC ale jucăriilor pentru sugari sau la prezervativele hipoalergenice din cauciuc sintetic. Materialele plastice sunt produse petrochimice, totuşi, şi ţinând cont de faptul că se produc anual o jumătate de miliard de tone de plastic, se consumă o cantitate mare de hidrocarburi fosilizate în procesul de producţie al acestora. În plus, faptul că multe produse din plastic se aruncă după ce au fost întrebuinţate ridică probleme serioare pentru mediul înconjurător, pentru că produsele petrochimice nu se degradează în mod natural. Deşeurile din plastic se pot elimina prin incinerare, dar şi aceasta este un factor de poluare.

Deşeurile din plastic pot fi reciclate, dar atunci apar alte probleme, de o altă natură, probleme legate de curăţarea deşeurilor, sortarea lor şi găsirea unei întrebuinţări pentru aceste materiale de o calitate mai slabă. Din păcate, depozitarea acestora într-o groapă de gunoi cea mai sigură şi mai puţin costisitoare metodă de eliminare a acestor deşeuri la ora actuală. Dar, întrucât 40% dintre deşeurile din plastic sunt pur şi simplu depozitate în astfel de gropi, acestea se umplu foarte repede. “Problemele de mediu, cererea tot mai mare de energie, preocupările din partea politicului şi epuizarea rezervelor de petrol preconizată într-un interval de timp mediu-lung au dus la apariţia nevoii de dezvoltare a unor tehnologii durabile bazate pe materii prime reutilizabile ” afirmă Colin. Împreună cu colegii lui, el speră să găsească un răspuns la această problemă prin dezvoltarea unei materii prime alternative pentru industia materialelor plastice bazate pe cereale reutilizabile, mai degrabă decât pe stocul limitat de ulei brut. “Selectarea materiei prime potrivite pentru a alimenta procese durabile depinde de factori de infrastructură, economici şi tehnologici cum ar fi disponibilitatea, forţa de muncă calificată, transportul sau costurile şi tehnologia necesare încă înaintea prelucrării” explică Apostolis. “Cerealele sunt unele dintre puţinele materii prime reutilizabile care îndeplinesc toate aceste cerinţe la ora actuală.” Cerealele au o valoare nutritivă suficient de mare pentru a suporta şi hrăni o serie de microorganisme, cum ar fi Aspergillus awamori, şi acest lucru poate fi exploatat prin dezvoltarea unei metode generice de rafinare a boabelor de cereale şi transformarea lor într-un intermediar de sinteză cu ajutorul fermentaţiei microbiene care poate apoi să fie convertită chimic sau printr-o fermentare ulterioară în biocombustibili, substanţe chimice şi biomateriale plastice (plastic derivat din plante, şi nu din petrol).

Cercetătorii de la
Universitatea din Manchester
consideră că, o dată cu
utilizarea de microbi în stare
să producă plastic, câmpurile
cultivate cu grâu ar putea
înlocui hidrocarburile
fosilizate ca sursă pentru
numeroase materiale plastice

Pentru imagine, îi mulţumim lui
David Bradley

Această idee are numeroase avantaje, şi anume: cerealele reprezintă o resursă reînnoibilă şi utilizarea lor este relativ neutră din punctul de vedere al emisiilor de carbon. În plus, produsele obţinute din prelucrarea chimică a cerealelor, inclusiv biomaterialele plastice vor fi biodegradabile, şi în cele din urmă vor puterzi, ajungând să se transforme în sol în apă şi dioxid de carbon: iată ce diferenţă mare faţă de cei 10.000 ani de care au nevoie produsele din polietilenă şi PVC pentru a fi eliminate complet. Mai există, pe lângă acestea, şi alte numeroase avantaje socio-economice pe care le are dezvoltarea industriei având ca materie primă cerealele: o încredere redusă în stocurile de ulei brut precum şi beneficii pentru fermierii care cultivă cereale intensiv.

La ora actuală, există trei modalităţi de producţie a biomaterialelor plastice. Prima implică producţia la nivel intracelular prin fermentarea unei materii prime derivate din cereale sau dintr-o altă cultură. Această abordare necesită etape intermediare de extracţie şi purificare. Ce-a de-a doua metodă implică prelucrarea unei culturi cerealiere astfel încât plasticul să ajungă să fie “asimilat” de plantă şi să crească chiar din interiorul acesteia, ceea ce ar necesita o recoltare şi o purificare ulterioară. În final, cerealele ar putea suferi modificări pentru a produce diverşi precursori, din nou prin fermentare, care ar putea fi apoi procesaţi în biomateriale plastice. Dacă microorganismele naturale nu pot produce bioplasticul dorit, atunci şi ele ar putea fi modificate genetic.

Microbi inteligenţi

Microbii care ar ajunge să producă plastic s-ar folosi de zaharuri, cum ar fi glucoza, care ar reprezenta sursa lor de carbon şi de compuşi organici ai azotului, cum ar fi aminoacizii şi peptidele scurte, pentru azotul pe care îl conţin. Toţi aceşti nutrienţi sunt prezenţi în boabele de cereale. În plus, cerealele conţin şi vitaminele şi mineralele esenţiale pentru creşterea microbiană. Unele boabe de cereale au un potenţial foarte mare pentru producerea de surse chimice funcţionale. Grâul, de pildă, elimină orice opoziţie pentru că conţine aglutinină şi lipide, care sunt foarte utile, arabinoxilan, acid fitic şi vitamine, precum şi zaharuri cu lanţuri scurte. ”Albirea” boabelor pentru a decoji straturile exterioare care învelesc mijlocul bobului şi  amestecarea lor în făină produce un material iniţial bogat în nutrienţi şi enzime cu care se pot hrăni microorganismele care sunt în stare să producă biomaterialele plastice. “Această strategie de biorafinare furnizează o materie primă completă pentru o fermentare microbiană ulterioară necesară în producerea de biomateriale plastice şi a altor substanţe chimice” afirmă Colin.

Pentru moment, producerea
de polimeri biodegradabili
cum ar fi PHB
(polihidroxibutirat– a cărui
structură e prezentată aici)
este un proces scump, iar
aceştia nu sunt potriviţi
pentru numeroase aplicaţii.
Cercetătorii EPSRC sper să
găsească o metodă mai puţin
costisitoare pentru a produce
materiale plastice ”verzi”, mai
versatile

Pentru imagine, îi mulţumim lui
David Bradley

Nu va fi posibil să fie dezvoltate metode de procesare pentru producerea de biomateriale plastice care să acopere întreaga gamă de întrebuinţări, dar cercetătorii speră să le acopere pe cele mai multe dintre ele. “Biomaterialele plastice microbiene îşi vor găsi numeroase aplicaţii ca şi materiale plastice de aruncat, cum ar fi ambalajele alimentare, care nu pot fi reciclate. Este de asemenea posibil să se amestece biomaterialele plastice cu alte materiale pentru a confecţiona biomateriale plastice resistente la biodegradare. În plus, reciclarea ar putea evolua pentru a deveni o metododologie generică pentru reproducerea unor elemente cu o durată de viaţă mai lungă,” adaugă Colin. Procesarea convenţională a boabelor pentru producerea de sirop de porumb sau a altor produse alimentare sau pentru hrana animalelor lasă în urmă cantităţi mari de deşeuri şi ape reziduale, este scumpă şi nu utilizează în întregime componenţa chimică complexă a acestor produse naturale – care include nutrientţi şi enzime de o valoare inestimabilă. În cele mai noi experimente ale sale, echipa din Manchester a încercat să utilizeze boabele de cereale întregi la întreaga lor capacitate pentru a crea biorafinării viabile pentru producerea de biomaterialele plastice precum şi a altor produse cu valoare adăugată. Abordarea lor investighează noi utilizări a acestora pe piaţă.

“Glutenul, de pildă, ar putea fi folosit ca un bioplastic cu multe aplicaţii potenţiale ” afirmă Apostolis, “iar arabinoxilanii pot avea aplicaţii în medicină, aşa încât nici un produs secundar obţinut din boabele de cereale să nu se piardă.” Colin adaugă: “La ora actuală, industria producătoare de materiale plastice va trebui să treacă treptat de la utilizarea procesării petrochimice la materii prime reutilizabile, bazate pe biomasă. Iminenta epuizare a zăcămintelor de petrol va face necesară această schimbare” spune cercetătorul, “iar cerealele vor deveni cel mai important candidat la statutul de materie primă pentru producerea de bioplastic.” Conform opiniei lui Colin, successul acestei întreprinderi va depinde de colaborarea cu parteneri industriali sau academici care vor furniza expertiza necesară în ceea ce priveşte cererea existentă pe piaţă, procesarea la scară industrială, chimia, cultivarea de cereale şi analiza ciclului vieţii. Colin comentează: “Modul în care a fost abordat acest proiect ţinteşte îmbunătăţirea economiei pentru a se putea produce biomateriale plastice prin fermentarea microbiană, ceea ce reprezintă unul dintre cele mai importante impedimente în acest proces.” Dacă ei vor avea succes, atunci jucăria de pastic pe care o găsim în cutia de cereale de la micul dejun va deveni, cândva, la fel de durabilă precum cerealele însele.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – Fondurile EPSRC pentru cercetare precum şi cursuri postuniversitare în inginerie şi ştiinţe fizice la universităţi şi alte organizaţii din Marea Britanie

Author(s)

David Bradley e scriitor de profesie şi scrie lucrări ştiinţifice. www.sciencebase.com

Acest articol a fost publicat pentru prima dată în numărul 37 din Newsline, o revistă trimestrială care scoate în evidenţă cele mai bune proiecte de cercetare sprijinite de EPSRC: www.epsrc.ac.uk


Review

Modalităţile de producere a plasticului nu sunt în general incluse în lecţiile cu subiect ştiinţific, dar acest articol explorează unul din domeniile aflate chiar la graniţa dintre ştiinţă şi pseudoştiinţă şi care sunt relevante pentru chestiunile esenţiale cu privire la evoluţia societăţii.

Astăzi, durabilitatea resurselor naturale şi încălzirea globală cauzată de activitatea oamenilor reprezintă principalii factori care pun limite oricărui model de dezvoltare a societăţii. În timp ce anumite grupuri susţin argumentele de ordin practic ale utilizării energiei nucleare sau dezvoltarea unor surse alternative de energie, Bradley demonstrează că progresele datorate unui management eficient al resurselor reînnoibile ar putea avea un efect pozitiv.

În acest articol este vorba despre eficienţă, durabilitate, reducerea emisiilor de carbon, despre resurse naturale şi structura socială. Pe lângă acestea, articolul mai ilustrează şi modul în care specializarea ştiinţifică (atât de des criticată) face posibil progresul în domenii restrânse ale cunoaşterii, care pot fi ulterior utilizate într-un sens mai larg.

Acest articol are aplicaţii interdisciplinare la clasă. Profesorii care predau Ştiinţa mediului înconjurător în gimnaziu sau chiar în primii ani de liceu pot să îl utilizeze pentru a ilustra diverse concepte de bază cum ar fi durabilitatea, ciclul carbonului şi influenţa omului, schimbările din structura socială sau importanţa agriculturii şi protecţia solului.

Iată câteva activităţi care la care se poate aplica articolul:

  1. Elevii pot calcula indicele de durabilitate pentru diferite resurse (materialele plastice convenţionale, biomaterialele plastice, solurile utilizate în agricultură, fertilizatorii pe bază de nitraţi, silvicultura, hidrocarburi, biocombustibili, etc) şi pot să îl utilizeze pentru a.

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

    Unde: NGa = Geneză (masă/timp)
    RCr = Rata de reciclare (indiferent de dimensiuni, de la 0 la 1)
    RUr = Rata de reutilizare (indiferent de dimensiuni, de la 0 la 1)
    HUa = Cantiratea de utilizare de către om (masă/timp)
    Da = Cantitatea de degradare (masă/timp)
     

  2. Elevii pot concepe modele simple reproducând ciclul carbonului, introducând efectele biomaterialelor plastice sau a biocombustibililor.
  3. Articolul precizează care e influenţa biomaterialelor plastice asupra relaţiei dintre structurile agricole şi cele industriale. Profesorii pot face legătura dintre conceptele biodiversităţii şi diversităţii sociale şi influenţa lor asupra ecosistemelor şi a stabilităţii sau supravieţuirii socetăţilor.
  4. Biomaterialele plastice (şi biocombustibilii) au nevoie de agricultură şi de soluri. Profesorii pot sublinia importanţa protecţiei solurilor, a eroziunilor sau a contaminării solurilor.
  5. Elevii pot evalua cantitatea de deşeuri din plastic aruncate (eliminate) în clasa lor şi influenţa grupului lor asupra emisiilor de carbon. Apoi, elevii pot estima efectul pe care l-ar avea trecerea de la plasticul convenţional la bioplastic asupra emisiilor de carbon.
  6. Profesorii pot ajuta elevii să deseneze grafice paralele ilustrând procesele desfăşurate în producerea şi eliminarea mai multor produse: sticle din bioplastic sau plastic obţinut din petrol, planşee de lemn sau metal, combustibili diesel sau biocombustibili.
  7. Profesorii pot de asemenea să utilizeze întrebări indirecte pentru a stabili împreună cu clasa modul în care biomaterialele plastice pot să ne influeneţeze existenţa. Iată doar câteva exemple: Cum pot biomaterialele plastice ajuta la salvarea gheţarilor din Antarctica? Cum pot biomaterialele plastice ajuta la evitarea modificărilor asupra nivelului mării? Cum pot biomaterialele plastice să salveze păsările care trăiesc la groapa de gunoi a oraşului nostru?

Juan de Dios Centeno Carrillo, Spania




License

CC-BY-NC-ND