「本当の意味で堆肥化可能なプラスチック」研究最前線

「これらの呼称はどれも十分規制されているとは言えず、ちゃんとした定義もないため、多くの混乱を招いています」と、米ライス大学 ベーカー研究所、エネルギー・持続可能性部門フェローのレイチェル・メイドル氏は述べる。

メイドル氏は、プラスチックとその代替品を4つの象限に分類している。1つめの軸は材料の出所だ。あるものは「生物由来」であり、あるものは石油ベースである。もう1つの軸は下流での運命を示している。ある材料は生分解性があり、あるものはそうではない。しかし、これらの象限の中で最良の位置にある材料（生物由来かつ生分解性である材料）であっても、万能薬ではない。「生分解性である」ということは、たとえどんなに微小なプラスチック片（マイクロプラスチック）になるのだとしても、単に微生物によって分解されるというだけだ。理想的な材料は、生分解性だけでなく堆肥化可能である必要がある。堆肥化可能であるということは、その材料が植物や動物に無害な有機成分に分解できるということだ。

残念ながら、堆肥化は簡単には達成できない。もしかすると、あなたも「ポリ乳酸（PLA）」を堆肥化可能な食器類やテイクアウト容器の形で見かけたことがあるかもしれない。最も一般的な生物由来プラスチックであるPLAは、技術的には堆肥化可能なのだが、それは特定の条件を満たした処理でしか実現できず、またそれが可能な施設がまだ充分な数存在するわけではない。結局、PLA製テイクアウト容器のほとんどが現在は食品廃棄物と一緒に廃棄されているため、堆肥化を手がける事業者はそれらを分別する手間がかかってしまう。

このため、より良いプラスチックを見つける方法のひとつは、より優れた生物由来のモノマーを探すことかもしれない。2020年、カリフォルニアの科学者チームは、藻類由来の油からポリオールと呼ばれる一種のモノマーを分離し、それを再構築して市販のサンダルなどにも使用できるフォーム状のプラスチックを作り出した。この素材は土壌中で効果的に分解された。

しかし一部の科学者は、モノマーから再構築する標準的なエネルギー集約型プロセスを放棄することが良いと考えている。自然界はすでに、すべてが堆肥化可能な有望なポリマーを供給している。例えば、タフツ大学の生物医学エンジニアであるデイビッド・カプラン氏は、適切に調整すれば、さまざまな用途に合った材料を作成できると述べている。

植物の細胞壁に存在する最も一般的な生体ポリマー、セルロースはどうだろうか。セルロースは本質的には糖分子の鎖である。これらの鎖はナノフィブリルと呼ばれる微細な糸に組み立てられ、さらにマイクロファイバーに束ねられ、最終的にはセロリをちぎった時に出てくる糸のような、目に見える大きな繊維になる。材料科学者はこれを階層構造と呼ぶ。

人為的に作られた合成ポリマーは通常、ホッパーに押し込まれ、均質な塊に押し出される。その結果、分子間に「強くて硬い結合」が形成されるとカプラン氏は言う。「生物学の分野では、そのような形成のされ方はあまりない」。それに対して、バイオポリマーははるかに弱い結合を持つことが特徴で、通常、これは1つのポリマー分子内の水素原子を、別のポリマー分子内の水素原子に非常に高密度で結びつける静電相互作用による結合だ。

しかし、これらの構造をより深く理解することで、エンジニアは生物学的材料を改良することができるようになるだろう。例えばセルロース繊維は細いほど引張強度が増し、張力による破損に強い材料になりうることが研究で示されている。表面積が拡大すると、水素原子が隣接する鎖間で動的に結合、または解離する能力が向上する。

細胞を直接使用する

モノマーを使わず、プラスチック生産プロセスの全工程を省いて、さらに一歩進むことも考えられる。一部の材料科学者たちは、カプラン氏が「ボトムアップ・デザイン」と呼ぶ方法を研究している。これは個々のバイオポリマーを分離して再構築するのではなく、自然が提供する全細胞や他の生物材料をそのまま使用してバイオプラスチック材料を作るというものだ。分解や抽出を必要としない。

例えば、ルメリ氏は藻類細胞の可能性を模索している。藻類細胞は小さく操作しやすい上に、生体ポリマーであるタンパク質や他の有用な物質を大量に含んでいる。彼女のチームは粉末状の藻類を高温・高圧処理にかけ、圧縮時間、温度、圧力を様々に変える試行を重ねた結果、多くの汎用プラスチックよりも強い素材を作り出せることがわかった。

しかもこの材料は粉末に戻して再度プレスすることでリサイクルも可能だ（再生のたびに多少の強度が失われるが、これは合成プラスチックでも同様である）。さらにこの材料が適当に土の上に捨てられても、バナナの皮と同じ速度で分解される。

また、カプラン氏は絹を用いて同様の研究を行っている。これまで絹は熱によって水素結合が崩れ、単に焼けてしまい、熱加工が困難だと考えられていた。しかし2020年の論文で、カプラン氏とその同僚は、絹のペレットをプラスチックのように成形し、調整可能な材料として活用できることを示した。その後彼は繭全体を同じ方法で加工できることを発見した。

ルメリ氏いわく、こういった材料は再生可能で化石燃料も使わず、製造過程において大気中の炭素も吸収することができ、一石二鳥であるという。完全に生分解できる素材となる可能性もある。しかし「唯一の問題は経済性とスケーラビリティだ」と彼女は課題を挙げる。

まさにこの新しいプラスチックの最大の問題は、その革新性ゆえに高コストであることだ。安価に製品を生産するためには既存の設備で生産できることが望ましい。そうすれば莫大なイニシャルコストを節減できる。しかしアムステルダム大学ファン・ト・ホフ分子科学研究所の化学者ガディ・ローテンバーグ氏によると、既存設備を運用するメーカーから見れば、生物複合材料はあまりに質の悪いもの、「ジャンク品」だと見なされる可能性が高い。たとえば炭酸水用のペットボトルに使用されるポリエチレンテレフタレート用の原料は、目的のモノマー以外の分子が含まれる割合はわずか10万分の1しかないレベルの純度だが、生物材料だと現状、そのような純度はあり得ない。

また、メーカーは実績がないものよりも、実績があるものを好む傾向がある。ローテンバーグ氏は自身が開発した植物ベースの持続可能なポリマーが、標準材料に近いため家具生産になら簡単に「ドロップイン」できる（混合できる）と考えた。しかし、彼が最初に企業に持ち込んだとき、「最初は話すら聞いてくれなかった」という。サトウキビベースのバイオPEでさえ化学的には合成品と同一であるにもかかわらず、ある調査によると製造コストが30％も高くなってしまう。結果、収益を考えねばならない企業としては従来の材料を選び続けるだろう。

現在、バイオベースのプラスチックが占める割合は市場全体の1％にも満たない。生体ベースのポリマーへの推進力は「経済的に同等になるまでは進展しないだろう」とローテンバーグ氏は言う。最終的には、本当に持続可能なプラスチック素材が普及するためには従来型のプラスチックの真のコスト、つまり二酸化炭素排出量や汚染対策費用などを政府が認識する必要があると彼は予測している。

それでも、先端を行く科学者たちは希望を持っている。ルメリ氏は「今日、最も安価で最も生産され、最も消費されているプラスチック」である合成ポリエチレンも、かつては目新しいものであったことを指摘している。カプラン氏は、将来的には「すべての前駆体、ポリマーが生物学的に、または真のサーキュラーエコノミーを前提に製造される」ことになると確信している。

「しかし、現時点ではまだそこまで到達していません」と彼は補足する。問題はプラスチック廃棄物が増え続け、世界の平均気温が上昇する中で、私たちに時間はあまり残されていないかもしれない、ということだ。

元記事へのリンクはこちら。