Plast från Grass

Nästan all plast som säljs idag kommer från petroleum och är inte biologiskt nedbrytbar. Men forskare vid Metabolix i Cambridge, Massachusetts, genmanipulerar switchgrass för att producera en biologiskt nedbrytbar polymer som kan extraheras direkt från växten.

Det kan förändra ekonomin för att göra biologiskt nedbrytbara polymerer. Metabolix säljer redan en sådan polymer, men den produceras av bakterier som livnär sig på växtsocker i dyra fermentorer. En växtbaserad process, som skulle kunna använda grödor som odlas på marginella marker, skulle kräva mindre utrustning.

Oliver Peoples grundade Metabolix tillsammans med biologen Anthony Sinskey.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2013

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Metabolix uppskattar att man i slutändan skulle kunna sälja sina växtbaserade polymerer till mindre än hälften av dagens priser. Medan dagens slutprodukter är nischade föremål som biologiskt nedbrytbara plastpåsar, kan mer använda typer av produkter och förpackningar då bli ekonomiska.

Visionen från växt-till-plast har gripit Metabolix chief scientific officer, Oliver Peoples, en före detta MIT-forskare, i mer än 20 år sedan han och kollegan Anthony Sinskey, en biologiprofessor vid MIT, upptäckte metaboliska gener som tillåter bakterier som finns i marken att naturligt producera en polymer som kallas PHA. Men efter att de grundade Metabolix tog det ett decennium att optimera metaboliska system i bakterierna för att producera användbara mängder PHA. Att göra det i växter är ännu svårare. Det är mycket mer komplext och tidskrävande att konstruera en komplex och långsamväxande art som switchgrass kontra en mycket enkel bakterie, säger Peoples.

Nu arbetar Metabolix-växtforskare på nytt med att infoga dessa gener, plus andra som reglerar tillväxten, i växter inklusive switchgrass, camelina och sockerrör. I switchgrass lockar de växten att producera och lagra i dess vävnader en specifik typ av PHA, känd som PHB, som kan användas för att tillverka formsprutade produkter som elektronikhöljen. Företaget arbetar också med kemiska produktionssteg, inklusive extraktion av PHB med lösningsmedel, och en termisk metod för att omvandla PHB till en kemikalie som kallas krotonsyra, som kan användas som råmaterial för polymerer. Efter att PHB har utvunnits eller krotonsyran producerats, kan rester av gräset brännas som en energikälla för biomassa som ger lägre nettokoldioxidutsläpp än fossila bränslen.

Vänster: I en petriskål exponeras cellkulturer från switchgrassfröna för en lösning som innehåller konstruerade bakterier som överför nya gener till cellerna. Vissa gener, lånade från jordbakterier, förändrar gräsets metaboliska system för att producera en polymer som kallas PHB.
Till höger: Plasttillverkningen börjar med switchgrassfrön.

Vänster: I en petriskål exponeras cellkulturer från switchgrassfröna för en lösning som innehåller konstruerade bakterier som överför nya gener till cellerna. Vissa gener, lånade från jordbakterier, förändrar gräsets metaboliska system för att producera en polymer som kallas PHB.
Till höger: Plasttillverkningen börjar med switchgrassfrön.

Vänster Med hjälp av ett odlingsmedium utvecklas de överlevande cellerna till växter vars modifierade gener gör att de kan producera plast.
Höger: Cellkulturerna placeras på ett medium som innehåller en herbicid; celler som misslyckades med att införliva de nya generna dödas. (Modifierade celler inkluderar en gen som tillåter dem att tolerera herbiciden.)

Vänster Med hjälp av ett odlingsmedium utvecklas de överlevande cellerna till växter vars modifierade gener gör att de kan producera plast.
Höger: Cellkulturerna placeras på ett medium som innehåller en herbicid; celler som misslyckades med att införliva de nya generna dödas. (Modifierade celler inkluderar en gen som tillåter dem att tolerera herbiciden.)

Vänster: Efter flera veckor överförs plantorna till torvpellets och transplanteras senare i ett växthus.
Till höger: Månader senare är det klippta och torkade gräset redo för industriella processer för att utvinna PHB.

Vänster: Efter flera veckor överförs plantorna till torvpellets och transplanteras senare i ett växthus.
Till höger: Månader senare är det klippta och torkade gräset redo för industriella processer för att utvinna PHB.

Torvkulor i Metabolix växthus förvaras i plastpåsar för att bibehålla fuktigheten. Unga plantor testas för att säkerställa att de producerar PHB. I bakgrunden finns mogna gräs.

Vänster: I en lovande metod för att återhämta och använda PHB, placeras hackat switchgrass först i en kammare av rostfritt stål.
Höger: Kammaren (till höger på bilden) värms sedan upp till 300 °C, vilket bryter ner PHB till en kemikalie som kallas krotonsyra.

Vänster: I en lovande metod för att återhämta och använda PHB, placeras hackat switchgrass först i en kammare av rostfritt stål.
Höger: Kammaren (till höger på bilden) värms sedan upp till 300 °C, vilket bryter ner PHB till en kemikalie som kallas krotonsyra.

Krotonsyragasen fångas upp och kyls i en kondensationsprocess i anslutning till värmekammaren.

Den resulterande krotonsyran, som visas här, är en viktig råvara för plast och kemiska produkter.

I en lovande metod för att återhämta och använda PHB, placeras hackat switchgrass först i en kammare av rostfritt stål.

Vänster: En annan och mer kapitalkrävande process skulle direkt kunna extrahera PHB för användning vid tillverkning av plastprodukter. Denna metod börjar med att lägga det hackade gräset i ett lösningsmedel som frigör PHB.
Höger: Den resulterande vätskan är reserverad.

Vänster: En annan och mer kapitalkrävande process skulle direkt kunna extrahera PHB för användning vid tillverkning av plastprodukter. Denna metod börjar med att lägga det hackade gräset i ett lösningsmedel som frigör PHB.
Höger: Den resulterande vätskan är reserverad.

Vänster: Ytterligare ett lösningsmedel hälls i.
Höger: Detta gör att PHB kan fällas ut ur lösningen.

Vänster: Ytterligare ett lösningsmedel hälls i.
Höger: Detta gör att PHB kan fällas ut ur lösningen.

Metabolix beräknar att gräset måste producera 10 procent av sin vikt som PHB för att vara ekonomiskt konkurrenskraftigt med andra källor av biologiskt nedbrytbar plast. Företaget har redan nästan fördubblat PHB-halten i switchgrass, från 1,2 procent 2008 till 2,3 procent förra året, inklusive 7 procent i löven. Processen skulle fortfarande ge vissa koldioxidutsläpp: växter för odling och skörd kräver fossilbränslebaserade gödselmedel och fossilbränsledrivna maskiner. Men Peoples förutspår att det skulle vara renare överlag än att producera plast från fossila bränslen, även om en fullständig analys ännu inte har gjorts. För nu är han ivrig att äntligen förverkliga sin växt-till-plast-vision. Det här är ett bevis på ren blodig målmedvetenhet, säger han.

Dölj