Пластиковые отходы сегодня являются одной из основных экологических проблем. Большинство видов пластика не разлагаются биологически, а распадаются на все более мелкие части, оставаясь при этом полимером. Кроме того, большинство видов производятся из нефти, ресурса, который быстро истощается. Но есть многообещающие альтернативы, и одна из них — полимолочная кислота (PLA): она биоразлагаема и производится из возобновляемых ресурсов.
Производители используют PLA для изготовления одноразовых стаканчиков, пакетов и других видов упаковки. Спрос на PLA постоянно растет и, по оценкам, к 2020 году достигнет примерно одной мегатонны в год.Исследовательские группы профессоров ETH Конрада Хунгербулера и Хавьера Переса-Рамиреса из Института химии и биоинженерии теперь внедряют новый метод производства молочной кислоты. Этот процесс более производительный, экономичный и экологически безопасный, чем ферментация сахара, которая в настоящее время используется для производства молочной кислоты.
Самым большим преимуществом нового метода является то, что он использует отходы сырья: глицерин.Отходы производства биотопливаГлицерин является побочным продуктом при производстве биотоплива первого поколения и, как таковой, не является высококачественным, но содержит остатки золы и метанола. «Никто не знает, что делать с таким количеством отработанного глицерина», — говорит Мертен Моралес, аспирант группы технологий безопасности и окружающей среды профессора Хунгербюлера.
Эти отходы становятся все более и более распространенными: ожидается, что 3 мегатонны в 2014 году увеличатся до более чем 4 мегатонн к 2020 году. Из-за своей примеси глицерин не подходит для химической или фармацевтической промышленности. Кроме того, он плохо горит и поэтому не является хорошим источником энергии. «Обычно он должен проходить очистку сточных вод, но чтобы сэкономить деньги и поскольку он не очень токсичен, некоторые компании сбрасывают его в реки или скармливают скоту. Но есть опасения по поводу того, как это влияет на животных».
Использование этого исходного сырья путем преобразования его в молочную кислоту уже является преимуществом, которое делает новый метод более экологически чистым. В этой процедуре глицерин сначала ферментативно превращается в промежуточное соединение, называемое дигидроксиацетон, которое затем обрабатывается для получения молочной кислоты с помощью гетерогенного катализатора.
Высокопроизводительный катализаторИсследователи из группы Advanced Catalysis Engineering под руководством профессора Переса-Рамиреса разработали катализатор с высокой реакционной способностью и длительным сроком службы. Он состоит из микропористого минерала, цеолита, структура которого способствует химическим реакциям в порах. Тесное сотрудничество между двумя исследовательскими группами позволило шаг за шагом улучшать катализатор, одновременно выполняя оценку жизненного цикла процедуры в целом. «Без оценки и сравнения с традиционным методом мы, возможно, были бы довольны первоначальной конструкцией катализатора, использованной в нашем исследовании, который оказался менее экологичным, чем ферментация», — объясняет Пьер Даапсенс, аспирант из Перес.
Группа Рамирес. Улучшив несколько аспектов конструкции катализатора, исследователи наконец смогли превзойти ферментацию сахара как с экологической, так и с экономической точки зрения.Промышленные процессы часто становятся «устойчивыми» просто за счет перехода на возобновляемые ресурсы. «Однако, принимая во внимание весь процесс — от источника сырья до конечного продукта и включая управление отходами — вы часто обнаружите, что предположительно устойчивый метод производства не обязательно более устойчивый, чем традиционный», — добавляет Сесилия. Монделли, старший научный сотрудник группы Advanced Catalysis Engineering, который также принимает участие в исследовании.
На треть меньше CO2Принимая во внимание экономию энергии за счет использования отработанного глицерина в качестве исходного сырья и повышения производительности, новая процедура снижает общие выбросы CO2 на 30% по сравнению с ферментацией: на килограмм произведенной молочной кислоты с помощью нового метода выделяется 6 кг CO2. по сравнению с 7,5 кг при обычной технологии. Кроме того, за счет снижения общей стоимости процесса исследователи рассчитали 17-кратное увеличение прибыли, возможное при использовании нового процесса. «Наши расчеты даже довольно консервативны», — говорит Моралес. «Мы использовали глицерин относительно хорошего качества. Но он также работает с глицерином низкого качества, который еще дешевле».
Таким образом, производители могут еще больше увеличить свою прибыль.«Хотя сегодня основные компании по производству биопластов базируются в США, этот процесс относительно прост и может быть реализован в других странах, производящих биотопливо и побочный продукт — глицерин», — заключает Дапсенс.