Kvävefixering

1. IV. TEKNOLOGISKA MILSTOLPAR INOM JORDBRUK OCH LIVSMEDEL IV.1. Gödningsmedel och näringsämnen Kvävefixering Kvävefixering är en oumbärlig naturlig process där bakterier omvandlar luftens kväve till oorganiskt kväve i form av ammoniak. Detta är den form av kväve som växterna kan ta upp och använda när de bygger sina proteiner. På så sätt kommer kväve in i naturens näringskedja. Normalt är tillgången på kväve i marken begränsande för växterna och avsevärt större skördar kan uppnås om man kvävegödslar. Många kommersiella metoder har utvecklats för att producera kvävegödningsmedel. Det mest kända processen är Haber-Bosch metoden för ammoniaksyntes. I slutet av 1800-talet utvecklade Kjeldahl, professor på Carlsberg Laboratoriet i Köpenhamn, en metod att bestämma kväveinnehållet i organiskt material. Detta kunde 1956 vidareutvecklas till att också innefatta markens kemi. Nu kan man därför optimera mängden kväve i jordbruksmarken. Kvävets kretslopp Rotknölar Haber-Bosh processen I slutet av 1800-talet börjar världens befolkning att växa snabbt och den globala försörjningsbördan blir ett uppenbart problem. Åkrarnas jordar tömdes på sitt kväveinnehåll och att kunna producera kvävegödning i industriell skala var fortfarande en utopi. En del forskare förutsåg världssvält. Därför stog det högt på önskelistan att man skulle kunna framställa kvävegödning från luftens rika tillgång på kväve. Lösningen kom 1908 när Tysken Fritz Haber upptäckte principen för ammoniaksyntes. Denna syntes sker med en järn-katalysator vid högt tryck och hög temperatur. Carl Bosch, en kemist vid BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik), kommersialiserade processen genom att göra den industriell 1913. Denna kemiska process möjliggjorde att både jordbruksproduktionen och befolkningen kunde öka under 1900-talet. Fritz Haber Vidare utveckling av gödningsmedel Från 1913 producerades gödningsmedel kommersiellt, vilket ledde till en dramatiskt ökad skörd inom jordbruket. Givetvis har framställningen av kemiska gödningsmedel utvecklats sedan dess. Således började granulerade gödningsmedel marknadsföras på 1930-talet och 1965 introducerades flytande gödningsmedel på den Amerikanska marknaden. Till de mer sentida uppfinningarna hör gödningsmedel som inte löses upp direkt när de sprids, utan som avges i långsammare takt. Detta förhindrar övergödning och att gödningsmedlen läcker ut i vattendragen. Den gröna revolutionen och hybridväxter Sedan 1860-talet har så kallade hybridväxter (främst hos majs) användts där man kombinerar genetiskt önskade egenskaper hos olika inavlade växtlinjer för att öka produktionen och kvalitén. Kemiska analyser av växterna identifierar just de plantor som har de önskade kvaliteterna man eftersöker. Detta kan till exempel vara de plantor som bäst tar upp kväve. Växtförädlare får härmed kunskap om vilka växter de ska kombinera i sina korsningar. Med hjälp av den ”Gröna revolutionen” blev Mexiko självförsörjande på vete 1943. Större delen av Asiens befolkning mättades redan 1964 tack vare framgångsrik växtförädling med hybridväxter och gödningsmedel framställt på industriell väg.

2. IV. TEKNOLOGISKA MILSTOLPAR INOM JORDBRUK OCH LIVSMEDEL IV.2. Att skydda skörden från svamp, insekter och ogräs Bordeaux metoden och fungicider Redan 1882 använde sig den franske botanisten Pierre M. A. Millardet av en vattenlösning innehållande kopparsulfat och släckt kalk(Bordeaux-blandningen) för att bekämpa mjöldagg på Franska vingårdar. Bordeaux-blandningen används fortfarande mot en rad svampar som attackerar olika grödor. Detta var den första fungiciden som användes i stor skala för att skydda grödor och kemin kom därmed att användas på ett nytt sätt inom jordbruket. Som mätt svensk är det lätt att ensidigt fördömma användandet av gifter inom jordbruket. Faktum är dock att svampar, insekter och ogräs även idag orsakar stora förluster inom jordbruket och att användandet av bekämpningsmedel ger oss mer och billigare mat. DDT och pesticider Pesticider skyddar jordbruksgrödor mot svamp, insekter och ogräs. År 1939 utvecklade Paul Mueller den billiga insekticiden DTT (dichlor-diphenyl-trichlorethan) för att skydda potatis mot coloradoskalbaggen och andra insekter. DDT och liknande pesticider användes i över tjugo år för att bemästra växtsjukdomar och insektsskador. DDT visade sig dock på 1960-talet vara ett mycket allvarligt miljögift som accumuleras i kroppsvävnader. Dessutom fann man svampar och insekter som utvecklat resistens mot DDT. Användningen av DDT förbjöds i västvärlden på 1970-talet. Dagens pesticider är oftast låg-dos pesticider, vilka ger bättre ekonomi för lantbrukaren, medför mindre hälsorisker och är mindre miljöfarliga. Fortfarande är de dock mycket kontroversiella. Bekämpning av malaria med DDT Äggskals-förtunning orsakat av DDT Veterinärmedicin Behandling av husdjursjukdomar genom vaccinering och medicinering har lett till mat av bättre kvalité och ökad kvantitet. År 1881 lyckades Louis Pasteur vaccinera djur så att de blev immuna mot bacterien Bacillus anthracis som orsakar sjukdomen mjältbrand. Hundra år senare introducerade man Ivermectin för att bekämpa en rad olika kvalster, maskar och andra invärtes-parasiter som påverkar djurs hälsa. Nuvarande forskning fokuserar på att förhindra BSE (bovine spongiform encephalopathy), också känt som galna kosjukan, vilken tros orsakas av vissa proteiner som ingår i djurens foder. Louis Pasteur Jordbrukets mekanisering Den ökande mekaniseringen av jordbruket under det senaste århundrandet har gått hand i hand med kemiska upptäckter och uppfinningar. Självklart har maskiner konstruerats för att kunna sprida ut gödning och pesticider på fälten. Men också den allmäna mekaniseringen är knuten till kemiämnet. Det är bara att konstatera att dagens traktorer, skördetröskor, harvar, såningsmaskiner, bevattningsanläggningar, sofistikerade datoranläggningar, etc., körs med hjälp av petrolium baserade drivmedel, består av tåliga metal-ligeringar och plaster, rullar på gummihjul eller har ett lager av beständig färg. Modern skörde-tröska Benjamin Holts diseldrivna traktor från 1904

3. IV. TEKNOLOGISKA MILSTOLPAR INOM JORDBRUK OCH LIVSMEDEL IV.3. Förädling, hantering och säkerhet Sakarin och sötningsmedel Artificiella sötningsmedel skapade av kemister har lett till bättre livskvalitet för diabetiker och personer som behöver minska sitt sockerintag. År 1901 lanserade John F. Quenny det artificiella sötningsmedlet sackarin. 1967 kunde man producera en majssirap med hjälp av ett patenterat enzym som ökade fruktoshalten från 14% till 42%. Denna majssirap blev snabbt det dominerande sötningsmedlet i alla läskdrycker. Aspartam såldes först i USA 1985. Detta kraftiga sötningsmedel med få kalorier marknadsfördes under namnet NutraSweet och hade tagits fram redan 1955 som en möjlig magsårsmedicin. Vitaminer En ökad förståelse för matens kemi gör det idag möjligt att erbjuda kosttillskott för att kompensera brister i mathushållningen orsakad av t.ex. vitaminbrist. Kemister har storligen bidragit till detta forskningsfält, t.ex. genom upptäckten av det första vitaminet. Vitamin A (beta-karoten) isolerades 1913 från smör och äggula. Det är en omistlig näringsämne för vår synförmåga och för att skydda våra epitel. Dess kemiska struktur bestämdes 1931 och den första syntesen lyckades man med 1947. Den ungerska biokemisten Albert Szent-Györgyi isolerade askorbinsyra från binjurar1928. Askorbinsyra är mer känt som vitamin C. År 2001 framtogs en sorts genmodifierad ris, Golden rice, som producerar vitamin A. Detta gula ris kan hjälpa till att bekämpa blindhet och andra bristsjukdomari Asien. Hållbarhet och hantering Grunden till förståelsen av matens kemi lades av den Tyske kemisten Justus von Liebig, som framställde ett köttextrakt i mitten av 1800-talet. Framsteg rörande bevarandet och hanteringen av mat har gjort att vi nu kan hantera mat industriellt. Allteftersom upptäckter inom kemin togs tillvara inom matindustrin utvecklades nya processer. Nya tekniker har också ökat hållbarheten för livsmedel. Detta inkluderar frystorkning (1906), djupfrysning (1920), förlagad frusen mat(1939) och tillverkning av koncentrat från vätskor (1946). Text om Liebigs kött-extrakt Säkerhet och kontroll av mat Vilken mat som helst, bearbetad eller inte, kan bli smittad och påverka vår hälsa. Kontamineringen kan ske när som helst under tillverkningen, tillagningen, serveringen eller förvaringen. Kemiska framsteg som har ökat matsäkerheten inkluderar snabba testmetoder, vilket möjliggör upptäckten av mikrobiella föroreningar och kontroll av matburena epidemier. Sjukdomar orsakade av de vanligaste matrelaterade sjukdomsalstrarna har minskat med 20% i USA mellan 1997 och 2009.

4. IV. TEKNOLOGISKA MILSTOLPAR INOM LIVSMEDEL OCH JORDBRUK IV.4. Förvaring av mat Matförpackningar Att förpacka mat i plast, metal, glas och keramiska material hjälper till att bevara maten under försäljning, transport och tillverkning. Ralph Wiley uppfann “saran” polymeren på 1930-talet. Detta kallar vi i dagligt tal för hushållsplast. Från 1953 började hushållsplast säljas som en utmärkt barriär för syre, fukt, lukt och kemikalier under extrem fuktighet och extrema temperaturer. Hushållsplast är en blandad polymer av vinylidene klorid och vinyl klorid. Andra kemiska uppfinningar inkluderar användadet av aluminium burkar för konserver och dricka (1960-talet) och PET (polyetylen teraftalat) som återvinningsbara förpackningar som kan ersätta glas- och aluminiumkärl (1970-talet). Kylmedel Sedan det introducerades för hemmabruk 1918, så har kylskåpet förenklat våra möjligheter att förvara och transportera mat på ett säkert sätt. Kort efter introduceradet tappade emellertid kylskåpet i populäritet när det visade sig att de svaveloxid-baserade kylmedlen var giftiga. Lösningen blev Freon 12, en kloroflorkarbonat (CCl2F2) som Thomas Midgley och Charles Kettering framställde som ett kylmedel i gasform 1931. Efter detta blev kylskåpen standard i varje hem, restaurang och varuhus. Freon har nu ersatts av andra kylmedel då det skadar jordens ozonlager. Ett isskåp 1890 och ett modernt kylskåp Mikrovågsugnar Hushållsapparater framtagna under 1900-talet har eliminerat mycket av det dagliga slitet med matlagningen. En sådan uppfinning, stimulerad av framgångar inom kemiämnet, var mikrovågsugnen. År 1945, rapporterade Percy L. Spencer att en godisbit smalt i hans ficka när han stog nära en aktiv radarsändare. Fascinerad av upptäckten, upprepade han trollerikonsten med popkorn, och mikrovågsugnen var född. Hans “Radarange” debuterade redan samma årtionde i industriella kök. Ännu idag är det mikrovågstransmittorer mycket lika de från andra världskriget som utgör kärnan i moderna mikrovågsugnar. En molekyl av klorsyra Rent vatten Framsteg inom kemin har gjort det möjligt att tillhandahålla vatten fritt från bakterier, virus och andra skadliga föroreningar. Bland uppfinningarna märks bland annat aktivt kol som tar bort dålig smak och dålig lukt, salter för att göra vatten mjukt och för att ta bort metaler, och modern teknik för vattenbehandling och distribution. Klorering av vatten började man med 1910, vilket är ett mycket vanligt förfarande i kommunala vattensystem i varmare länder. Klorering av vatten är en utmärkt metod för att skydda oss mot matrelaterade sjukdomar.