Plastik z martwych much. Nietypowe odkrycie amerykańskich chemików

Odkrycie, zaprezentowane na jesiennym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS), może być przydatne, ponieważ trudno jest znaleźć źródła biodegradowalnych polimerów, które nie mają innych konkurencyjnych zastosowań.

"Od 20 lat moja grupa opracowuje metody przekształcania produktów naturalnych - takich jak glukoza pozyskiwana z trzciny cukrowej lub drzew - w degradowalne, strawne polimery, które nie utrzymują się w środowisku" stwierdza autorka badania, Karen Wooley z Uniwersytetu A&M w Teksasie. "Ale te naturalne produkty wykorzystują surowce, które są również wykorzystywane do produkcji żywności, paliw, budownictwa i transportu".

Aby rozwiązać ten problem, teksańscy naukowcy postanowili wykorzystać do produkcji plastiku surowiec, który dziś jest uważany za problem: odpady powstałe po hodowli much na paszę czy potrzeby laboratoryjne. Muchy są hodowane na paszę, bo ich larwy zawierają białka i rozkładają odpady. Dorosłe muchy dziś nie mają jednak żadnego praktycznego zastosowania i są po prostu wyrzucane. Zespół Wooley postanowił wykorzystać ich zwłoki do wytworzenia użytecznych materiałów.

Kluczem do problemu okazała się chityna. Naturalny polimer na bazie cukru, który jest wykorzystywany przez owady i inne stawonogi do budowy ich twardych szkieletów zewnętrznych. Badacze pozyskiwali już wcześniej chitynę z krewetek czy krabów. Okazało się jednak, że sproszkowana chityna pozyskiwana z much jest czystsza, niż proszek z morskich skorupiaków. Dodatkowo pozyskiwanie chityny z much pozwala uniknąć zagrożeń związanych z tym, że wiele osób ma alergie na białka pochodzące z owoców morza.

Naukowcy są przekonani, że wkrótce chitynowy proszek będą w stanie przetworzyć na bioplastiki, takie jak poliwęglany i poliuretany, które dziś najczęściej wytwarza się z ropy i gazu ziemnego. Te biodegradowalne tworzywa sztuczne mają pomóc zmniejszyć problem związany z zanieczyszczeniem środowiska plastikiem.

Zespół stworzył już także ze sproszkowanych much hydrożel, który może wchłonąć 47-krotność swojej wagi w wodzie w ciągu zaledwie jednej minuty. Produkt ten mógłby być stosowany do wychwytywania wody powodziowej, a następnie powolnego uwalniania wilgoci podczas suszy.

"W Teksasie stale mamy do czynienia z powodziami i suszami, spróbowaliśmy więc stworzyć materiał, który pomógłby zaradzić związanym z nimi problemom" stwierdza Wooley. "Ostatecznie chcielibyśmy, aby owady zjadały odpady z tworzyw sztucznych jako źródło pożywienia, a następnie były przetwarzane na nowe, biodegradowalne materiały. Byłyby nie tylko źródłem bioplastiku, ale także konsumowałyby wyrzucane przez nas tworzywa sztuczne".

Nietypowych pomysłów na to, z czego można produkować bioplastiki jest oczywiście więcej.

Dziś tworzywa sztuczne są zazwyczaj wytwarzane z materiałów takich, jak celuloza, węgiel, gaz ziemny i ropa naftowa w procesie polimeryzacji lub polikondensacji. Produkcja tworzyw sztucznych rozpoczyna się od destylacji ropy naftowej. Proces ten rozdziela ciężką ropę na grupy lżejszych składników, zwanych frakcjami. Każda frakcja jest mieszaniną łańcuchów węglowodorowych (związków chemicznych zbudowanych z węgla i wodoru), które różnią się wielkością i strukturą cząsteczek. Jedna z tych frakcji, nafta, jest kluczowym związkiem do produkcji tworzyw sztucznych.

Do ich wytworzenia stosuje się dwa główne procesy - polimeryzację i polikondensację - które wymagają specyficznych katalizatorów. W reaktorze do polimeryzacji monomery, takie jak etylen i propylen, łączą się ze sobą, tworząc długie łańcuchy polimerowe. Każdy polimer ma swoje własne właściwości, strukturę i rozmiar w zależności od różnych typów zastosowanych podstawowych monomerów.

Biotworzywa to biodegradowalne materiały pochodzące ze źródeł odnawialnych, takich jak odpady rolnicze, celuloza, skrobia ziemniaczana i kukurydziana. Są one w 100% biodegradowalne, równie odporne i wszechstronne co tworzywa produkowane na bazie ropy naftowej, mają też mieć mniejszy ślad węglowy i nie wymagają wykorzystania nieodnawialnych surowców.

Wśród surowców wykorzystywanych już dziś do produkcji bioplastików, są np. pestki z oliwek. Zawarty w nich składnik, oleuropeina, dodany do bioplastiku sprawia, że takie tworzywo może ulec rozkładowi już w ciągu jednego roku. Obiecujące są także materiały tworzone na bazie grzybów czy wodorostów.

Do produkcji bioplastików służą jednak także bardziej egzotyczne surowce. Jest wśród nich m.in. mączka mięsno-kostna powstająca jako odpad po uboju krów. Do produkcji biodegradowalnych materiałów można wykorzystać także m.in. zużyty olej do smażenia, skórki bananów czy nasiona awokado. Meksykańska firma Biofase codziennie przetwarza na biotworzywa 15 ton charakterystycznych pestek tych zielonych owoców. Taki plastik z awokado jest już wykorzystywany do produkcji słomek i plastikowych sztućców. 

Bioplastiki tworzą zresztą nie tylko ludzie. Australijski startup, Humble Bee, odkrył, że materiały, które australijska pszczoła maskowana wykorzystuje do budowy swoich gniazd mogą być doskonałym źródłem przyjaznych środowisku tworzyw. Niewielkie owady budują gniazda z celofanu który jest wodoodporny, odporny na ciepło i chemikalia.

Poszukiwanie nowych, przyjaznych środowisku źródeł plastiku jest istotne, bo problem związany z zanieczyszczeniem środowiska tworzywami sztucznymi przybiera już katastrofalne rozmiary. Każdego roku ludzkość wytwarza 400 milionów ton plastikowych odpadów, a ilość ta rośnie z roku na rok.

Od lat 70. tempo produkcji plastiku rośnie szybciej niż jakiegokolwiek innego materiału. Jeśli historyczne tendencje się utrzymają, światowa produkcja pierwotnych tworzyw sztucznych do 2050 r. osiągnie 1100 milionów ton. Około 36 procent wszystkich wyprodukowanych tworzyw sztucznych jest wykorzystywanych w opakowaniach, w tym w produktach jednorazowego użytku. 85 proc. z nich trafia na wysypiska śmieci lub wprost do środowiska. Około 98 procent produktów jednorazowego użytku z tworzyw sztucznych jest wytwarzanych z paliw kopalnych. 

Program Środowiskowy Narodów Zjednoczonych przewiduje, że poziom emisji gazów cieplarnianych związanych z produkcją, użytkowaniem i utylizacją konwencjonalnych tworzyw sztucznych na bazie paliw kopalnych wzrośnie do 19 procent światowego budżetu węglowego do 2040 r. Z siedmiu miliardów ton odpadów z tworzyw sztucznych wytworzonych do tej pory na całym świecie mniej niż 10 procent zostało poddanych recyklingowi.