¿Cuán verdes son verdes Plásticos Científico …

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¿Cuán verdes son verdes plásticos?

Scientific American Aug00

Ahora es tecnológicamente posible para hacer plásticos que utilizan las plantas verdes en lugar de los combustibles fósiles. Sin embargo, son estos nuevos plásticos los salvadores ambientales investigadores han esperado?

Conducir por una carretera de grava polvorienta en el centro de Iowa, un agricultor mira hacia el horizonte en las filas de las plantas de maíz, altos y frondosos estremeciéndose en la brisa en la medida que el ojo puede ver. El granjero sonríe a sí mismo, porque él sabe algo de su cosecha que pocas personas se dan cuenta. No sólo son granos de maíz que crecen en los oídos, pero gránulos de plástico están brotando en los tallos y las hojas.

Esta noción idílica de crecimiento de plástico, realizables en un futuro previsible, parece mucho más atractiva que la fabricación de plásticos en fábricas petroquímicas, que consumen alrededor de 270 millones de toneladas de petróleo y gas en todo el mundo cada año. Los combustibles fósiles proporcionan tanto la potencia y las materias primas que transforman el petróleo crudo en plásticos comunes, tales como poliestireno, polietileno y polipropileno. A partir de jarras de leche y botellas de soda a la ropa y partes de automóviles, es difícil imaginar la vida cotidiana sin los plásticos, pero la sostenibilidad de su producción cada vez ha sido puesta en cuestión. Se espera que las reservas mundiales conocidas de petróleo para funcionar en seco en aproximadamente 80 años, el gas natural en 70 años y carbón en 700 años, pero el impacto económico de su agotamiento podrían llegar mucho antes. A medida que disminuyen los recursos, los precios subirán – una realidad que no ha escapado a la atención de los políticos. Presidente Bill Clinton emitió una orden ejecutiva en agosto de 1999 insistiendo en que los investigadores trabajan para la sustitución de recursos fósiles con material vegetal tanto como combustible y como materia prima.

La fabricación tradicional de plásticos utiliza una cantidad sorprendentemente grande de los combustibles fósiles. Automóviles, camiones, aviones y plantas de energía representan más del 90 por ciento de la producción de las refinerías de crudo, pero los plásticos consumen la mayor parte del resto, alrededor de 80 millones de toneladas al año en los EE.UU. por sí solo. Hasta la fecha, los esfuerzos de las industrias biotecnológicas y agrícolas para reemplazar a los plásticos convencionales con alternativas derivadas de las plantas han adoptado tres enfoques principales: la conversión de azúcares vegetales en el plástico, la producción de plástico dentro de los microorganismos, y crecientes de plástico en el maíz y otros cultivos.

Cargill, un gigante de negocio agrícola, y Dow Chemical, una empresa química superior, unieron sus fuerzas hace tres años para desarrollar el primer enfoque, que convierte el azúcar de maíz y otras plantas en un plástico llamado polilactida (PLA). Microorganismos transformar el azúcar en ácido láctico, y un paso más enlaces químicamente las moléculas de ácido láctico en las cadenas de plástico con atributos similares a tereftalato de polietileno (PET), un plástico petroquímico utilizado en botellas de refrescos y fibras de la ropa.

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA Y DEMANDAS

Otras empresas, como Imperial Chemical Industries, desarrollaron formas para producir un segundo plástico, llamada polihidroxialcanoato (PHA). Al igual que PLA, PHA está elaborado con azúcar vegetal y es biodegradable. En el caso de PHA, sin embargo, la bacteria Ralstonia eutropha convierte el azúcar directamente en plástico. PLA requiere una etapa química fuera del organismo para sintetizar el plástico, pero PHA se acumula de forma natural dentro de los microbios en forma de gránulos que pueden constituir hasta el 90 por ciento de la masa de una sola célula.

En respuesta a las crisis del petróleo de la década de 1970, Imperial Chemical Industries estableció un proceso de fermentación a escala industrial en el que los microorganismos convierten el azúcar afanosamente planta en varias toneladas de PHA un año. Otras empresas moldean el plástico en artículos comerciales, tales como máquinas de afeitar biodegradables y botellas de champú y los venden en mercados de nicho, pero este plástico se volvieron a costar mucho más que sus contrapartes basadas en combustibles fósiles y no ofrecieron ventajas de rendimiento distintos de biodegradabilidad. Monsanto compró el proceso y las patentes asociadas en 1995, pero la rentabilidad sigue siendo difícil de alcanzar.

Muchos grupos corporativos y académicos, incluyendo Monsanto, ya que han canalizado sus esfuerzos para producir PHA en el tercer enfoque: cada vez que el plástico en las plantas. Modificación de la composición genética de un cultivo agrícola de modo que pudiera sintetizar de plástico a medida que crecía eliminaría el proceso de fermentación completo. En lugar de crecer el cultivo, la recolección de él, el procesamiento de las plantas para producir azúcar y fermentar el azúcar para convertirlo en plástico, se podría producir el plástico directamente en la instalación. Muchos investigadores vieron este enfoque como el más eficiente – solución para hacer plástico de un recurso renovable – y más elegante. Numerosos grupos eran (y siguen siendo) en la persecución de este objetivo.

A mediados de la década de 1980 uno de nosotros (Slater) era parte de un grupo que aisló los genes que permiten a las bacterias para fabricar plástico. Los investigadores predijeron que la inserción de estas enzimas en una planta sería conducir la conversión de acetil coenzima A – un compuesto que se forma naturalmente como la planta convierte la luz solar en energía – en un tipo de plástico. En 1992, una colaboración de científicos de la Universidad Estatal de Michigan y la Universidad James Madison logra por primera vez esta tarea. Los investigadores modificaron genéticamente la planta Arabidopsis thaliana para producir un tipo frágil de PHA. Dos años más tarde Monsanto comenzó a trabajar para producir un PHA más flexible dentro de una planta agrícola común: el maíz.

El problema: Energía y Emisiones

Los investigadores han hecho un importante progreso tecnológico hacia el aumento de la cantidad de plástico en la planta y la alteración de la composición del plástico para darle propiedades útiles. Aunque estos resultados son alentadores cuando se ve de forma individual, tanto el logro de una composición útil y alto contenido de plástico en la planta resulta ser difícil. Los cloroplastos de las hojas hasta el momento han demostrado ser la mejor ubicación para la producción de plástico. Pero el cloroplasto es el orgánulo verde que captura la luz y las altas concentraciones de plástico por lo tanto podría inhibir la fotosíntesis y reducir los rendimientos de grano.

Los desafíos de separar el plástico de la planta, también, son formidables. Los investigadores de Monsanto originalmente vieron la facilidad de extracción como un adjunto a una planta de procesamiento de maíz existente. Pero cuando diseñaron una instalación teórico, se determinó que la extracción y recogida de los plásticos requeriría grandes cantidades de disolvente, lo que tendría que ser recuperado después de su uso. Esta infraestructura de procesamiento de plástico rivalizaba fábricas petroquímicas existentes en magnitud y superó el tamaño del molino de maíz originales.

En nuestro estudio más reciente, completó la pasada primavera, nosotros y nuestros colegas encontraron que hacer un kilogramo de PHA a partir de plantas de maíz modificadas genéticamente que requerirá aproximadamente el 300 por ciento más de energía que los 29 megajulios necesarios para la fabricación de una cantidad igual de polietileno a partir de combustibles fósiles (EDUCACIÓN FÍSICA). Para nuestra decepción, la ventaja de utilizar el maíz en lugar de aceite como materia prima no podría compensar esta demanda de energía considerablemente mayor.

La única plástico a base de la planta que se está comercializando actualmente es de los PLA. Alimentando este proceso requiere de 20 a 50 por ciento menos de recursos fósiles que hace la fabricación de plásticos a partir de aceite, pero sigue siendo significativamente más energía que en la mayoría de los procesos petroquímicos son. Funcionarios de la compañía anticipa eventualmente reducir la demanda de energía. El proceso aún tiene que sacar provecho de las décadas de trabajo que se han beneficiado de la industria petroquímica. El desarrollo de fuentes alternativas de azúcar en la planta que requieren menos energía para el proceso, como el trigo y la remolacha, es una manera de atenuar el uso de combustibles fósiles. . Mientras tanto, los científicos de Cargill Dow estiman que la primera planta de fabricación de PLA, que está siendo construida en Blair, Nebraska gastarán como máximo 56 megajulios de energía por cada kilogramo de plástico – 50 por ciento más de lo necesario para el PET, pero el 40 por ciento menos para el nylon, otro de los competidores petroquímicas de PLA.

La energía necesaria para la producción de plásticos de origen vegetal da lugar a un segundo, tal vez incluso más, la preocupación ambiental. los combustibles fósiles es el principal recurso para la producción de plástico convencional, pero la fabricación de plástico de las plantas depende principalmente de carbón y gas natural, que se utiliza para alimentar las industrias de maíz de cultivo de maíz y de procesamiento. Cualquiera de los métodos basados ​​en plantas, por lo tanto, implican el cambio de un combustible menos abundante (aceite) a una más abundante (carbón). Algunos expertos sostienen que este parámetro es un paso hacia la sostenibilidad. Falta en esta lógica, sin embargo, es el hecho de que todos los combustibles fósiles utilizados para la fabricación de plásticos de materias primas renovables (maíz) deben ser quemados para generar energía, mientras que los procesos petroquímicos incorporan una parte significativa de los recursos fósiles en el producto final.

Nosotros y otros investigadores razonaron que el uso de biomasa renovable como fuente de energía primaria en la industria de procesamiento de maíz sería desacoplar la producción de plásticos a partir de recursos fósiles, sino un cambio de este tipo requeriría vallar algunas barreras tecnológicas persistentes y la construcción de una nueva infraestructura de generación de energía . La siguiente pregunta era, "Y cuándo será eso suceda?" De hecho, los patrones de producción de energía en los estados de maíz-agricultura muestran la tendencia exactamente lo contrario. La mayoría de estos estados dibujó una cantidad desproporcionada de su energía eléctrica a partir del carbón – 86 por ciento en Iowa, por ejemplo, y el 98 por ciento en Indiana – en comparación con un promedio nacional de alrededor del 56 por ciento en 1998. (Otros estados derivan más de su energía de fuentes tales como el gas natural, petróleo y generadores hidroeléctricas.)

Tanto Monsanto y Cargill Dow han estado buscando estrategias para la obtención de energía a partir de biomasa. En su análisis teórico, Monsanto quemó todo el rastrojo de maíz que quedaba después de la extracción del plástico para generar electricidad y vapor. En este escenario, la electricidad derivado de la biomasa era más que suficiente para la extracción de PHA de energía. El exceso de energía podría ser exportado desde la instalación de PHA-extracción para reemplazar algunos de los combustibles fósiles quemados en una instalación de energía eléctrica cercana, reduciendo así las emisiones globales de gases de efecto invernadero, mientras que la producción de un plástico valioso.

Las elecciones que nosotros como sociedad haremos en última instancia dependen de cómo se da prioridad al agotamiento de los recursos fósiles, las emisiones de gases de efecto invernadero, el uso del suelo, de eliminación de residuos sólidos y rentabilidad – todos los cuales están sujetos a su propia interpretación, grupos políticos y sistemas de valores. Independientemente del enfoque particular de la fabricación de plásticos, el uso de energía y las emisiones resultantes constituyen el impacto más significativo sobre el medio ambiente.

A la luz de este hecho, se propone que cualquier esquema para producir plásticos no sólo debe reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, pero también debe ir un paso más allá de eso, para invertir el flujo de carbono a la atmósfera. Para lograr este objetivo será necesario encontrar maneras de producir plástico no degradable de los recursos que absorben dióxido de carbono de la atmósfera, tales como plantas. El plástico podría entonces ser enterrado después de su uso, lo que secuestrar el carbono en el suelo en lugar de devolverlo a la atmósfera. Algunos plásticos biodegradables también pueden terminar el secuestro de carbono, debido a los vertederos, donde muchos productos de plástico terminan, por lo general no tienen las condiciones adecuadas para iniciar una rápida degradación.

Al final, la reducción de los niveles atmosféricos de dióxido de carbono puede ser demasiado pedir de la industria del plástico. Sin embargo, cualquier proceso de fabricación, no sólo las de los plásticos, se beneficiaría del uso de materias primas renovables y la energía renovable. Los cambios significativos que serían necesarias de infraestructura de energía eléctrica del mundo para hacer este cambio bien podrían valer la pena el esfuerzo. Después de todo, la energía renovable es el ingrediente esencial en cualquier esquema integral para la construcción de una economía sostenible, y como tal, sigue siendo el principal obstáculo para la producción de verdad "verde" plástica.

Polihidroxibutirato, un termoplástico biodegradable, producidas en las plantas transgénicas. Y. Poirier, D. E. Dennis, K. Klomparins y C. Somerville en Science, vol. 256, páginas 520-622; Abril de 1992.

Puede Biotecnología medida de Estados Unidos hacia una sociedad sostenible? Tillman U. Gerngross en Nature Biotechnology, vol. 17, páginas 541-544; Junio ​​de 1999.

El autor
TILLMAN U. Gerngroß y Steven C. Slater han trabajado cada uno más de ocho años en la industria y el mundo académico para el desarrollo de tecnologías para la fabricación de plásticos biodegradables. Ambos investigadores han contribuido a la comprensión de la enzimología y genética de las bacterias productoras de plástico. En los últimos dos años, han convertido sus intereses hacia la cuestión más amplia de cómo la fabricación de plásticos afecta al medio ambiente. Gerngross es un profesor asistente en la Universidad de Dartmouth, y Slater es un investigador senior en Cereon Genomics, una subsidiaria de Monsanto, en Cambridge, Massachusetts.

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