Mit kaptunk a növényektől 16.

 

Ipari növények – Gumi, gyanta, festék, olaj és rost mint növényi adomány

Gumifa, lenolaj, repceolaj, napraforgóolaj, olívaolaj, pálmaolaj, indigó, annatto, gyanták, kaucsuk és viaszok – a növények ipari nyersanyagokat is szolgáltatnak. A növény valóságos „vegyi gyár”, amelynek gyökere van: napfényből, szén-dioxidból, vízből és ásványi tápanyagokból rostot, polimert, olajat, festéket, illatot, ragasztót és sokféle más, műszakilag hasznosítható molekulát épít. 

Mit nevezünk ipari növénynek?

Az „ipari növény” nem rendszertani rokonságot, hanem felhasználási módot jelöl. Ide sorolhatók a rostnövények, az ipari olajnövények, a keményítő- és cukornövények, a gumi-, gyanta-, festék-, cserzőanyag- és viasznövények, továbbá az energia- és egyes különleges vegyületet adó növények. A határ nem éles: a repce, a napraforgó, a szója, a kukorica, a burgonya és a cukornád egyszerre lehet élelmiszer, takarmány, vegyipari alapanyag vagy üzemanyagforrás. Ugyanannak a termésnek az olajából étel, szappan, festék, kenőanyag vagy biodízel is készülhet; a feldolgozás maradéka pedig takarmány, talajjavító vagy energiaforrás lehet.

E növények jelentősége jóval régebbi az ipari forradalomnál. A lenből és kenderből szőtt vászon, a növényi olajjal kötött festék, az indigóval festett kelme, a gyantával vízhatlanított hajó, a cserzőanyaggal tartósított bőr és a kaucsukból készült rugalmas tárgy mind azt mutatja, hogy az ember már évezredekkel a modern vegyipar előtt céltudatosan használta a növényi sejtek anyagait. Az iparosítás az előállítás méretét és tisztaságát növelte meg, majd a 19–20. században sok növényi anyagot fosszilis eredetű szintetikus termék szorított háttérbe. A klímaváltozás és a véges fosszilis nyersanyagok miatt ma ismét nő az érdeklődés a megújuló, növényi szén iránt. 

Rost, kaucsuk és szerkezeti anyag

A gyapot (Gossypium-fajok) magjait borító szőrök szinte tiszta cellulózból állnak. A len (Linum usitatissimum), a kender (Cannabis sativa) és a juta (Corchorus-fajok) hosszú háncsrostjai a szár szállítószöveteit erősítik; a szizál (Agave sisalana) és az abaka (Musa textilis) levélrostot, a kókuszpálma (Cocos nucifera) termése pedig ellenálló kókuszrostot ad. E rostokból ruha, zsák, kötél, háló, papír, szigetelőanyag és geotextília készül. A Bill Laws-kötetben is felidézett szizálkötél a 20. század elején a hajórakományok rögzítésének megszokott eszköze volt; a kender erős háncsrostja pedig évszázadokon át a vitorlák, kötelek és zsákvásznak alapanyaga lett.

A növényi rost valójában hierarchikusan felépített természetes kompozit: a cellulóz-mikrofibrillumok ligninben, hemicellulózokban és pektinekben gazdag sejtfalba ágyazódnak. Kis sűrűségükhöz képest jó a merevségük, ezért ma autóipari burkolatokban és más polimerkompozitokban is használják őket. Előnyük a megújuló eredet, a kis tömeg és az, hogy feldolgozásuk gyakran kevesebb energiát igényel az üveg- vagy szénszálnál. Hátrányuk a változó minőség, a nedvességfelvétel, a hőérzékenység és a növényi rost, illetve a víztaszító polimer közötti gyenge tapadás. A kompozit egészének újrahasznosíthatóságát nem a rost eredete, hanem a kötőanyag és a szerkezet is meghatározza (Faruk et al. 2012; Pickering et al. 2016).

A természetes kaucsuk legfontosabb forrása a dél-amerikai eredetű gumifa (Hevea brasiliensis). Megcsapolt kérgéből tejszerű latex folyik, amelyben gumirészecskék vizes közegben lebegnek; fő alkotójuk a cisz-1,4-poliizoprén. A nyers kaucsuk hidegben merev, melegben ragadós. A kénnel végzett vulkanizálás keresztkötéseket hoz létre a polimerláncok között, és tartósan rugalmas anyagot ad. A természetes gumi a szintetikus gumik mellett is stratégiai nyersanyag: egyes nagy igénybevételű gumiabroncsok, rezgéscsillapítók, kesztyűk és orvosi eszközök tulajdonságaihoz nehezen helyettesíthető.

A világellátás ugyanakkor szinte egyetlen fajra és nagyrészt délkelet-ázsiai ültetvényekre támaszkodik. Ez kiszolgáltatottá teszi az ágazatot betegségeknek, szélsőséges időjárásnak és területhasználati konfliktusoknak. Van Beilen és Poirier (2007) ezért a mérsékelt égövi kok-szagiz, vagyis orosz pitypang (Taraxacum kok-saghyz) és a szárazságtűrő guayule (Parthenium argentatum) nemesítését is sürgette. A természetes gumi megújuló, de egy gumifaültetvény nem azonos a trópusi erdővel: ha erdőirtás árán létesül, a biológiai sokféleség és a szénkészlet vesztesége felülírhatja a nyersanyag eredetéből adódó előnyt (Warren-Thomas et al. 2015). 

Olaj, keményítő, cukor – növényi szén a vegyiparban

A növényi olajok főként glicerinhez kapcsolódó zsírsavakból, trigliceridekből állnak. A zsírsavláncok hossza és telítetlensége szabja meg, hogy az olaj mennyire folyékony, mennyire oxidálódik, és milyen ipari célra alkalmas. A lenolaj sok többszörösen telítetlen zsírsavat tartalmaz: levegőn oxidatív úton térhálósodik, ezért „száradó olajként” festékek, lakkok és linóleum kötőanyaga. A repce-, napraforgó-, szója-, olíva- és pálmaolajból hidrolízissel zsírsavak, hidrogénezéssel eltérő keménységű zsírok, transzészterezéssel biodízel állítható elő. Szappanok, tenzidek, kozmetikumok, festékek, lágyítók, ragasztók, kenőanyagok és polimerek molekuláris építőkövei is lehetnek. 

A pálmaolaj jól példázza, miért nem elég a terméket önmagában „jónak” vagy „rossznak” nevezni. Az olajpálma (Elaeis guineensis) hektáronként több olajat ad, mint a legtöbb más olajnövény, így azonos olajmennyiséghez viszonylag kevés föld kell. Ugyanakkor a gyors ültetvényterjeszkedés Délkelet-Ázsiában trópusi erdők és tőzeglápok átalakításával, nagy szén-dioxid-kibocsátással és jelentős fajvesztéssel járt. Egyszerű kiváltása kevésbé termékeny olajnövénnyel még nagyobb területet igényelhet. A döntő kérdés ezért az, hogy hol és milyen korábbi élőhely helyén termesztik, növelhető-e a hozam a már használt területen, megőrzik-e a természetes élőhelyeket, és nyomon követhető-e az ellátási lánc (Vijay et al. 2016; Meijaard et al. 2020).

A keményítő a növények glükózraktára, a cellulóz pedig sejtfaluk teherhordó váza; mindkettő glükózegységekből felépülő poliszacharid, de eltérő kötéseik miatt tulajdonságaik is különböznek. Kukorica-, búza-, burgonya- és maniókakeményítőből papíripari segédanyag, ragasztó, textilipari írezőanyag, fermentációs cukor, gyógyszeripari hordozó és hőre lágyítható keményítő készülhet. A cellulózból papír mellett regenerált cellulózszál, cellofán, cellulóz-acetát és számos éter állítható elő. A cukornád vagy cukorrépa szacharóza, illetve a keményítő hidrolíziséből nyert glükóz mikrobiális erjesztéssel etanollá, tejsavvá, borostyánkősavvá és más platformvegyületté alakítható.

A „bioműanyag” kifejezés könnyen félrevezet. A bioalapú azt jelenti, hogy a termék szene részben vagy egészben friss biomasszából származik; a biológiailag lebomló azt, hogy meghatározott körülmények között mikroorganizmusok képesek lebontani. A két tulajdonság nem következik egymásból. Bioetanolból készíthető olyan polietilén, amely kémiailag azonos a fosszilis változattal és nem bomlik le gyorsan; egyes lebomló polimerek pedig fosszilis alapanyagból készülnek. A keményítőalapú anyagok tulajdonságait lágyítók és más polimerek javítják, ezért tényleges sorsukat az összetétel, a használat és a hulladékkezelési infrastruktúra együtt határozza meg (Avérous 2004). 

Festék, gyanta, cserzőanyag és viasz

Az indigó története látványosan köti össze a növénytermesztést, a mikrobiológiát és a kémiát. Az indigócserje (Indigofera tinctoria) és az Európában termesztett festő csülleng (Isatis tinctoria) leveleiben nem kész kék pigment, hanem színtelen előanyag található. A levelek áztatása és erjesztése felszabadítja az indoxilt; ez levegőn oxidálódva vízben oldhatatlan indigotinná alakul. A festéshez előbb oldható, redukált formát kell létrehozni, majd a rostban levegővel ismét kékké oxidálni. A 19. század végén megjelent szintetikus indigó kiszorította az ültetvények nagy részét, de a növényi indigó ma a természetes festés és a kisebb környezeti terhelésű eljárások kutatásának része.

Az annatto vagy orleánfa (Bixa orellana) magköpenyének narancsvörös színét főként a bixin karotinoid adja; élelmiszer, kozmetikum és textil színezésére használják. A báránypirosító (Alkanna tinctoria) gyökerének alkannin-származékai vöröses-lilás festéket adnak. A festőbuzér (Rubia tinctorum) alizarinja egykor Európa fontos vörös textilfestéke volt. A természetes eredet azonban itt sem garantál veszélytelenséget vagy kis környezeti lábnyomot: a színezék tisztítása, a pácanyag, a vízhasználat, a hozam és a termőterület ugyanúgy számít.

A fenyők és más növények gyantái illékony terpének és nem illékony gyantasavak keverékei. A fenyőgyanta lepárlásakor terpentinolaj és kolofónium válik szét; az előbbi oldószer és vegyipari alapanyag, az utóbbi ragasztókban, lakkokban, nyomdafestékekben, forrasztási folyasztószerként és vonógyantaként használható. A természetes gyanta a növényben sebet zár és kórokozókat tart távol; az ember ugyanezt a tapadást, víztaszítást és kémiai reakciókészséget hasznosítja.

A tanninok sok növény kérgében, fájában, levelében és termésében felhalmozódó polifenolok. Fehérjékhez kötődnek: ez teszi őket növényi védekező anyaggá és a bőr cserzésének alapjává. A tölgy-, gesztenye-, akácia- és quebracho-kivonatok mellett ma formaldehidszegény faipari ragasztók, bevonatok és habok alapanyagaként is vizsgálják őket. A paratölgy (Quercus suber) külső kérge sejtekbe zárt levegőből és víztaszító szuberinnel átitatott sejtfalakból áll; könnyű, rugalmas, hő- és hangszigetelő. A kérget a fa kivágása nélkül időszakosan le lehet fejteni, ezért a jól kezelt parafaerdő hosszú életű termelési rendszer és mediterrán élőhely egyszerre (Pereira 2007).

A viaszok víztaszító védőréteget képeznek a növény felszínén. A brazil karnaubapálma (Copernicia prunifera) levelének kemény viasza fényesítőszerekben, kozmetikumokban, gyógyszertabletták bevonatában és élelmiszerek felületkezelésére használható; a jojoba (Simmondsia chinensis) magjának „olaja” valójában hosszú láncú folyékony viaszészterek keveréke. Ezek az anyagok kis mennyiségben, de különleges tulajdonságuk miatt értékesek. 

Bioenergia és biofinomító – mikor fenntartható?

A növényi biomassza elégethető, elgázosítható, biogázzá erjeszthető, cukraiból bioetanol, olajaiból biodízel készíthető. A növény növekedés közben CO₂-t köt meg, de ettől az energia nem válik automatikusan „szénsemlegessé”. A termesztés, műtrágyázás, feldolgozás és szállítás kibocsátással jár; a betakarítás megváltoztathatja a talaj szénkészletét; az új ültetvény pedig kiszoríthat élelmiszer-termelést vagy természetes élőhelyet. Erdő vagy gyep felszántásakor „szénadósság” keletkezhet, amelyet az üzemanyag fosszilis megtakarítása csak évtizedek vagy évszázadok alatt törleszt – ha egyáltalán törleszt (Fargione et al. 2008; Searchinger et al. 2008).

A kedvezőbb rendszerek többnyire hulladékot és mellékterméket használnak, nem alakítanak át nagy szénkészletű élőhelyet, megőrzik a talaj termékenységét, és hatékony technológiával valódi fosszilis felhasználást váltanak ki. A cukornád-etanol például jó termőhelyen és a kipréselt rost, a bagasz energetikai hasznosításával kedvezőbb mérleget adhat, mint sok gabonaalapú rendszer; az eredmény azonban régió- és technológiafüggő.

A korszerű biofinomító gondolata a kőolaj-finomító logikáját alkalmazza biomasszára: nem egyetlen terméket akar kinyerni, hanem a növény valamennyi frakcióját a lehető legértékesebb módon használja. Először gyógyszer-, illat-, színezék- vagy polimer-alapanyagot választ le, majd rostot, cukrot, olajat és fehérjét hasznosít; a maradékból energia, talajjavító vagy tápanyag-visszaforgatás lehet. E „kaszkádhasználat” jobb eséllyel takarékos, mint amikor egy jó minőségű nyersanyagot közvetlenül elégetünk (Cherubini 2010).

A növényi ipar fenntarthatóságát ezért nem a „bio” előtag dönti el. Legalább hat kérdést kell együtt vizsgálni: milyen élőhely állt korábban a termőföld helyén; mekkora a hozam és az egész életciklus energia-, víz-, műtrágya- és növényvédőszer-igénye; versenyez-e élelmiszerrel vagy természeti területtel; mi történik a talajjal és a biodiverzitással; tisztességes-e a munka és a földhasználat; végül valóban újrahasználják, újrahasznosítják vagy lebontják-e a terméket. Egy magas hozamú ültetvény lehet területtakarékos, mégis súlyosan káros, ha erdőt vált fel; egy lebomló csomagolás pedig lehet értelmetlen, ha nincs hozzá megfelelő komposztáló rendszer.

A növények tehát nem egyszerűen a fosszilis vegyipar „zöld helyettesítői”. Sokkal régebbi, rendkívül sokoldalú anyagtechnológiát képviselnek: a cellulóz szilárdságát, a kaucsuk rugalmasságát, a gyanta tapadását, az olaj reakciókészségét, a pigment színét, a tannin fehérjekötését és a viasz víztaszítását. E tudás akkor szolgálhat fenntartható jövőt, ha nemcsak a nyersanyag eredetét, hanem a teljes tájat, életciklust és anyagáramlást is megőrizzük. 

Irodalom

Avérous, L. (2004): Biodegradable multiphase systems based on plasticized starch: a review. Journal of Macromolecular Science, Part C 44: 231–274.

Bechtold, T., Turcanu, A., Geissler, S. & Ganglberger, E. (2002): Process balance and product quality in the production of natural indigo from Polygonum tinctorium Ait. applying low-technology methods. Bioresource Technology 81: 171–177.

Cherubini, F. (2010): The biorefinery concept: Using biomass instead of oil for producing energy and chemicals. Energy Conversion and Management 51: 1412–1421.

Fargione, J. et al. (2008): Land clearing and the biofuel carbon debt. Science 319: 1235–1238.

Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H.-P. & Sain, M. (2012): Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010. Progress in Polymer Science 37: 1552–1596.

Laws, B. (2012): Ötven növény, amely megváltoztatta a történelmet. Kossuth Kiadó, Budapest, 224 pp. Fordította és magyar vonatkozásokkal kiegészítette: Molnár V. Attila & Papp Mária.

Meijaard, E. et al. (2020): The environmental impacts of palm oil in context. Nature Plants 6: 1418–1426.

Pereira, H. (2007): Cork: Biology, Production and Uses. Elsevier, Amsterdam.

Pickering, K. L., Efendy, M. G. A. & Le, T. M. (2016): A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance. Composites Part A 83: 98–112.

Pizzi, A. (2006): Recent developments in eco-efficient bio-based adhesives for wood bonding: opportunities and issues. Journal of Adhesion Science and Technology 20: 829–846.

Searchinger, T. et al. (2008): Use of U.S. croplands for biofuels increases greenhouse gases through emissions from land-use change. Science 319: 1238–1240.

van Beilen, J. B. & Poirier, Y. (2007): Establishment of new crops for the production of natural rubber. Trends in Biotechnology 25: 522–529.

Vijay, V., Pimm, S. L., Jenkins, C. N. & Smith, S. J. (2016): The impacts of oil palm on recent deforestation and biodiversity loss. PLOS ONE 11: e0159668.

Warren-Thomas, E. et al. (2015): Increasing demand for natural rubber necessitates a robust sustainability initiative to mitigate impacts on tropical biodiversity. Conservation Letters 8: 230–241.