Palatab

Jak zielone są zielone sztuczne naukowe …

Jak zielone są zielone sztuczne naukowe ...

Jak zielone są zielone sztuczne?

Scientific American Aug00

Teraz jest technicznie możliwe, aby za pomocą plastikowych zielonych roślin zamiast paliw kopalnych. Ale czy te nowe tworzywa sztuczne zbawicieli środowiskowych naukowcy się spodziewać?

Obniżając zakurzoną drogą żwirową w centrum Iowa, rolnik patrzy kierunku horyzontu na rzędy wysokich, zielonych roślin kukurydzy drżący na wietrze miarę oka widać. Rolnik uśmiecha się do siebie, bo wie coś o jego uprawie, że niewiele osób zdaje sobie sprawę. Nie tylko są ziarna kukurydzy rosnące w uszach, ale granulaty z tworzyw sztucznych kiełkują w łodyg i liści.

Ten idylliczny pojęcie rosnącej plastiku, osiągalne w dającej się przewidzieć przyszłości, wydaje się znacznie bardziej atrakcyjne niż produkcja tworzyw sztucznych w zakładach petrochemicznych, które zużywają około 270 milionów ton ropy naftowej i gazu rocznie na całym świecie. Paliwa kopalne zapewniają zarówno moc jak i surowce, które przekształcają ropy w typowych tworzyw sztucznych, takich jak polistyren, polietylen i polipropylen. Z dzbanów i butelek po napojach mlecznych do odzieży i części samochodowych, trudno jest wyobrazić sobie codzienne życie bez tworzyw sztucznych, ale trwałość ich produkcji w coraz większym stopniu została podważona. Oczekuje znane światowe rezerwy ropy są na sucho w ciągu około 80 lat, gazu ziemnego i węgla 70 lat w 700 lat, ale ich wpływ ekonomiczny uszczuplenia może trafić znacznie szybciej. Ponieważ zasoby zmniejszać, ceny pójdą w górę – rzeczywistość, która nie ujść uwagi decydentów. Prezydent Bill Clinton wydał dekret w sierpniu 1999 twierdząc, że naukowcy pracują w kierunku zastąpienia zasobów kopalnych surowców roślinnych zarówno jako paliwo i jako surowca.

Tradycyjna produkcja tworzyw sztucznych wykorzystuje zaskakująco dużej ilości paliw kopalnych. Samochody, ciężarówki, dysze i elektrownie stanowić więcej niż 90 procent wyjściu z rafinerii ropy naftowej, tworzyw sztucznych, ale zużywają większość pozostałej około 80 milionów ton rocznie w Stanach Zjednoczonych, w spokoju. Do tej pory wysiłki przemyśle biotechnologicznym i rolnych do zastąpienia konwencjonalnych tworzyw sztucznych z alternatyw pochodzenia roślinnego mają obejmował trzy główne podejścia: przekształcaniu cukrów roślinnych do tworzyw sztucznych, produkcji tworzyw sztucznych wewnątrz mikroorganizmów, a rosnące plastik w kukurydzy i innych roślin.

Cargill, rolniczego firma gigant, a Dow Chemical, top firma chemiczna, połączyli siły, trzy lata temu w celu opracowania pierwszego podejścia, które zamienia cukier z kukurydzy i innych roślin do plastikowego nazwie polilaktyd (PLA). Mikroorganizmy przekształcić cukru w ​​kwas mlekowy, a drugi etap chemicznie wiąże cząsteczki kwasu mlekowego w łańcuchy z tworzyw sztucznych z cech podobnych do folii z politereftalanu etylenu (PET), z tworzywa sztucznego stosowanego w petrochemicznego butelek po napojach i włókien odzieżowych.

Potrzeb produkcyjnych i energetycznych

Inne firmy, w tym Imperial Chemical Industries, opracowane sposoby wytwarzania drugiego plastik, zwany polihydroksyalkaniany (PHA). Jak PLA, PHA wykonana jest z cukru roślinnego i ulega biodegradacji. W przypadku PHA, jednak bakterie Ralstonia eutropha zamienia cukier bezpośrednio z tworzywa sztucznego. PLA wymaga etapu chemicznej poza organizmem syntezowania tworzywa sztucznego, lecz akumuluje się w PHA naturalnie mikroorganizmów w postaci granulek, która może stanowić do 90 procent masowych pojedynczej komórki jest.

W odpowiedzi na kryzys olejowych 1970 Imperial Chemical Industries ustalone procesu fermentacji na skalę przemysłową, w której mikroorganizmy pracowicie przekształca cukrowni do kilku ton na rok PHA. Inne firmy formowane z tworzyw sztucznych do przedmiotów użytkowych, takich jak biodegradowalne brzytwy i butelek szamponu i sprzedał je na rynkach niszowych, ale ta okazała się plastikowa kosztować znacznie więcej niż jego odpowiedniki paliw kopalnych i oparte oferowane żadnych korzyści wydajności inne niż biodegradacji. Monsanto kupiła procesu i związane z nimi patentów w 1995 roku, ale rentowność pozostała nieuchwytny.

Wiele firm i akademickie grupy, w tym Monsanto, od tego czasu ich wysiłki skierowane do produkcji PHA do trzeciego podejścia: rośnie plastik w roślinach. Modyfikację genetyczną z upraw rolnych, aby mógł syntetyzować z tworzyw sztucznych, gdyż rosły byłoby wyeliminować proces fermentacji całkowicie. Zamiast rosnących upraw, zbierającym, przetwarzanie rośliny wydajność cukru i fermentację cukru, aby przekształcić go tworzywa sztucznego, można wytwarzać z tworzywa sztucznego bezpośrednio w zakładzie. Wielu badaczy obejrzało podejście jak najbardziej efektywny – i najbardziej eleganckim – rozwiązanie do tworzenia plastik z zasobów odnawialnych. Liczne grupy były (i nadal są) w pościg tego celu.

W połowie 1980 roku jeden z nas (Slater) jest częścią grupy, która samodzielnie geny, które umożliwiają bakterii do plastiku. Badacze przewiduje się, że wstawienie tych enzymów do rośliny będzie prowadzenia konwersji acetylo-koenzymu A – związek, który stanowi naturalnie, jak rośliny przekształca się w energię światła słonecznego – w rodzaju tworzywa sztucznego. W 1992 roku współpraca naukowców z Michigan State University i James Madison University najpierw zrealizować to zadanie. Naukowcy genetycznie zmodyfikowane rośliny Arabidopsis thaliana w celu wytworzenia kruchego typu PHA. Dwa lata później rozpoczął pracę Monsanto produkować bardziej elastyczne PHA ramach wspólnej roślin rolniczych: kukurydzę.

Problem: energii i emisji

Naukowcy dokonali znacznego postępu technologicznego w kierunku zwiększenia ilości plastiku w zakładzie oraz zmiany składu tworzywa sztucznego, aby nadać jej właściwości użytkowe. Mimo, że te wyniki są zachęcające, patrząc indywidualnie, osiągając zarówno użyteczny skład i wysoką zawartość plastikowej w zakładzie okazuje się trudne. Chloroplastach liści tej pory okazały się być najlepszym miejscem do produkcji tworzyw sztucznych. Jednak chloroplastowy zielone światła organelli, który przechwytuje i wysokie stężenia tworzywa sztucznego w ten sposób może hamować fotosyntezę i zmniejszenie wydajności ziarna.

Wyzwania oddzielania plastykowe z rośliny też są ogromne. Naukowcy Monsanto pierwotnie oglądane obiektu ekstrakcji jako dodatek do istniejącego zakładu przetwarzania kukurydzy. Kiedy jednak zaprojektowane centrum teoretycznej, to ustalono, że ekstrakcję i gromadzenia tworzywa sztucznego wymaga dużych ilości rozpuszczalnika, które mają być odzyskane po użyciu. Ta infrastruktura przetwarzania rywalizował istniejących fabryk petrochemicznych plastiku wielkości i przekroczyły rozmiar oryginalnego kukurydzianego młyna.

W naszym najnowszym badaniu, ukończony w ostatni wiosny, my i nasi koledzy odkryli, że co jeden kilogram PHA z genetycznie zmodyfikowanych roślin kukurydzy wymagałoby o 300 procent więcej energii niż 29 megadżul potrzebne do wytworzenia tej samej ilości polietylenu paliwa na bazie paliw kopalnych (PE). Ku naszemu rozczarowaniu, korzyści korzystania z kukurydzy zamiast ropy jako surowca nie może zrównoważyć to znacznie większe zapotrzebowanie energetyczne.

Jedynym tworzywa sztucznego na bazie roślin, który jest obecnie sprzedawany jest Cargill Dow PLA. Tankowania proces ten wymaga od 20 do 50 procent mniej zasobów kopalnych, niż przy wytwarzania tworzyw sztucznych z oleju, ale jest jeszcze znacznie bardziej energochłonny, niż większość procesach petrochemicznych są. Przedstawiciele firmy przewidujemy ostatecznie zmniejszając zapotrzebowanie na energię. Proces musi jeszcze zyskać dekadach pracy, które skorzystały przemysłu petrochemicznego. Rozwój alternatywnych źródeł roślin cukrowych, które wymagają mniej energii do procesu, takich jak pszenica i buraki, jest jednym ze sposobów tłumienia wykorzystania paliw kopalnych. . W międzyczasie naukowcy z szacunków Cargill Dow że pierwszy PLA zakład produkcyjny, obecnie budowany w Blair, Neb będzie wydać co najwyżej 56 megadżulach energii na każdy kilogram plastiku – 50 procent więcej niż jest potrzebne do PET, ale 40 procent mniej niż nylon, inny od konkurentów PLA za petrochemicznych.

Energia potrzebna do produkcji tworzyw sztucznych pochodzenia roślinnego powoduje sekundy, może nawet większe, troski o środowisko. Kopalny olej jest podstawowym źródłem informacji dla konwencjonalnej produkcji tworzyw sztucznych, ale co z tworzyw sztucznych roślin zależy głównie węgla i gazu ziemnego, które są używane do zasilania przemysłowa hodowla kukurydzy i kukurydza przetwarzania. Każda z tych metod roślinnych zatem obejmować przejście z mniej obfity paliwa (oleju) do obfitsze jednego (węgiel). Niektórzy eksperci twierdzą, że przełącznik ten jest krokiem w kierunku zrównoważonego rozwoju. Brakuje w tej logiki, jest jednak to, że wszystkie paliwa kopalne, stosowane do wytwarzania tworzyw sztucznych, z odnawialnych surowców (kukurydza) musi być spalone w celu wytworzenia energii, podczas gdy procesach petrochemicznych zawierają dużą część zasobów kopalnych w produkcie końcowym.

My i innych badaczy do wniosku, że przy użyciu odnawialnej biomasy jako głównego źródła energii w przemyśle kukurydza przetwarzania byłoby odłączyć produkcji tworzyw sztucznych z surowców kopalnych, ale taka zmiana wymagałaby hurdling kilka pokutujących barier technologicznych i budowę zupełnie nowej infrastruktury zasilania generacji , Naszym następnym pytaniem było, "Czy to kiedykolwiek się stało?" Rzeczywiście, wzory produkcji energii w stanach kukurydza hodowli pokazują dokładnie odwrotny trend. Większość z tych stanów zwrócił nieproporcjonalnie dużo swojej energii elektrycznej z węgla – 86 procent w Iowa, na przykład, a 98 procent w stanie Indiana – w porównaniu do średniej krajowej o około 56 procent w 1998 roku (Inne stany wynikają bardziej z ich energii ze źródeł, takich jak gaz naturalny, ropa naftowa i generatorów wodnych).

Zarówno Monsanto i Cargill Dow zostały patrząc na strategie uzyskiwania energii z biomasy. W analizie teoretycznej Monsanto spalone wszystkie słoma kukurydziana, które pozostały po usunięciu z tworzywa sztucznego do wytwarzania energii elektrycznej i pary. W tym przypadku, prąd elektryczny pochodzący z biomasy bardziej niż wystarczające do ekstrakcji PHA mocy. Nadmiar energii może być eksportowane z obiektu PHA ekstrakcji zastąpić niektóre z paliwa kopalnego spalanego w pobliskim zakładzie energii elektrycznej, a tym samym zmniejszenie całkowitych emisji gazów cieplarnianych przy produkcji cennych tworzyw sztucznych.

Wybory, że jako społeczeństwo uczynią ostatecznie zależeć od tego, jak priorytet wyczerpywanie zasobów kopalnych, emisje gazów cieplarnianych, gruntów, utylizacja odpadów stałych i rentowności – z których wszystkie podlegają własnej interpretacji, politycznych i wyborczych systemy wartości. Niezależnie od konkretnego podejścia do tworzenia tworzyw sztucznych, zużycia energii oraz wynikające z emisji stanowią najbardziej znaczący wpływ na środowisko.

W świetle tego faktu, proponujemy, aby każdy system do produkcji tworzyw sztucznych powinno nie tylko zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych, ale powinny również pójść o krok poza to, aby odwrócić przepływ węgla do atmosfery. Aby osiągnąć ten cel będzie wymagało znalezienia sposobów produkcji nondegradable plastik ze środków, które pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery, takich jak rośliny. Plastik może następnie być pochowany po użyciu, które maskują węgla w ziemi, bez powrotu do atmosfery. Niektóre biodegradowalne tworzywa sztuczne mogą skończyć maskujące węgiel, bo składowiska, gdzie wielu tworzyw sztucznych, kończą się zazwyczaj nie mają odpowiednich warunków do inicjowania szybkiej degradacji.

W celu zmniejszenia stężenia dwutlenku węgla w atmosferze może być zbyt wiele w przemyśle tworzyw sztucznych. Ale każdy proces produkcyjny, a nie tylko te, dla tworzyw sztucznych, skorzystaliby z wykorzystaniem surowców odnawialnych i energii odnawialnej. Istotne zmiany, które byłyby wymagane światowej infrastruktury elektroenergetycznej, aby ta zmiana może być wart wysiłku. Po tym wszystkim, odnawialne źródła energii jest istotnym składnikiem każdego kompleksowego systemu do budowania zrównoważonej gospodarki, i jako takie, pozostaje podstawową barierę dla produkcji prawdziwie "Zielony" tworzyw sztucznych.

Polihydroksymaślano, biodegradowalny termoplastu, wyprodukowanych w roślinach transgenicznych. Y. Poirier, D. E. Dennis K. Klomparins i C. Somerville w Science, Vol. 256, strony 520-622; Kwiecień 1992.

Biotechnologia może przenieść nas w kierunku zrównoważonego społeczeństwa? Tillman U. Gerngross Nature Biotechnology, Vol. 17, strony 541-544; Czerwiec 1999.

Autor
TILLMAN U. Gerngross i Steven C. SLATER nie każdy pracował przez ponad osiem lat w przemyśle i środowisk akademickich, aby rozwijać technologie wytwarzania biodegradowalnych tworzyw sztucznych. Obaj badacze przyczyniły się do zrozumienia Enzymologia i genetyki bakterii produkujących tworzywa sztucznego. W ciągu ostatnich dwóch lat, okazały swoje zainteresowania w kierunku szerszej kwestii, jak tworzywa sztuczne produkcja wpływa na środowisko. Gerngross jest adiunktem w Dartmouth College, a Slater jest pracownikiem naukowym na Cereon genomika, zależnej od Monsanto, w Cambridge, Mass.

Aby wysłać nam swoje komentarze, pytania i sugestieKliknij tutaj
Na stronie głównej tej witryny jestwww.mindfully.org
Proszę zobaczyć naszeDozwolony użytek Wskazówki

RELATED POSTS

Comments are closed.