nový proces činí „biologicky rozložitelné“ plasty skutečně kompostovatelnými

Biologicky rozložitelné plasty byly inzerovány jako jedno řešení problému znečištění plasty, které trápí svět, ale dnešní „kompostovatelné“ plastové sáčky, nádobí a víčka pohárů se během typického kompostování nerozpadají a kontaminují jiné recyklovatelné plasty, což způsobuje bolesti hlavy pro recyklační pracovníky. Většina kompostovatelných plastů, vyrobených především z polyesteru známého jako kyselina polymléčná nebo PLA, končí na skládkách a vydrží tak dlouho jako navždy plasty.

University of California, Berkeley, vědci nyní vynalezli způsob, jak tyto kompostovatelné plasty snadněji rozložit, jen s teplem a vodou, během několika týdnů, řešení problému, který flummoxed plastikářský průmysl a ekologové.

„lidé jsou nyní připraveni přejít na biologicky rozložitelné Polymery pro jednorázové plasty, ale pokud se ukáže,že to vytváří více problémů, než stojí za to, pak by se politika mohla vrátit zpět,“ řekl Ting Xu, profesor materiálových věd a inženýrství UC Berkeley a chemie. „V podstatě říkáme, že jsme na správné cestě. Můžeme vyřešit tento přetrvávající problém, že plasty na jedno použití nejsou biologicky rozložitelné.“

Xu je hlavním autorem článku popisujícího proces, který se objeví v tomto týdenním čísle časopisu Nature.

nová technologie by měla být teoreticky použitelná pro jiné typy polyesterových plastů, možná umožňující vytvoření kompostovatelných plastových nádob, které jsou v současné době vyrobeny z polyethylenu, typu polyolefinu, který se nerozkládá. Xu si myslí, že polyolefinové plasty se nejlépe mění na výrobky s vyšší hodnotou, nikoli na kompost, a pracuje na způsobech, jak přeměnit recyklované polyolefinové plasty pro opětovné použití.

nový proces zahrnuje vkládání polyesterových enzymů do plastu tak, jak je vyroben. Tyto enzymy jsou chráněny jednoduchým polymerním obalem, který zabraňuje rozmotání enzymu a stává se zbytečným. Když je enzym vystaven teplu a vodě, pokrčí rameny ze svého polymerního pláště a začne žvýkat plastový polymer do svých stavebních bloků — v případě PLA, redukuje jej na kyselinu mléčnou, která může živit půdní mikroby v kompostu. Polymerní obal se také degraduje.

tento proces eliminuje mikroplasty, vedlejší produkt mnoha procesů chemické degradace a znečišťující látku sama o sobě. Až 98% plastu vyrobeného technikou Xu se rozkládá na malé molekuly.

jeden ze spoluautorů studie, bývalý doktorand UC Berkeley Aaron Hall, odstartoval společnost na další vývoj těchto biologicky rozložitelných plastů.

výroba plastových autodestrukcí

plasty jsou navrženy tak, aby se při běžném používání nerozpadly, ale to také znamená, že se nerozpadnou poté, co jsou vyřazeny. Nejodolnější plasty mají téměř krystalovou molekulární strukturu, s polymerními vlákny vyrovnanými tak pevně, že do nich voda nemůže proniknout, natož mikroby, které by mohly žvýkat polymery, což jsou organické molekuly.

xuova myšlenka spočívala v vložení enzymů konzumujících polymery v nanoměřítku přímo do plastu nebo jiného materiálu způsobem, který je izoluje a chrání, dokud je nepropustí správné podmínky. V roce 2018 ukázala, jak to funguje v praxi. Ona a její tým UC Berkeley vložili do vláknité rohože enzym, který degraduje toxické organofosfátové chemikálie, jako jsou insekticidy a chemické bojové látky. Když byla rohož ponořena do chemické látky, vložený enzym rozložil organofosfát.

její klíčovou inovací byl způsob, jak chránit enzym před rozpadem, což proteiny obvykle dělají mimo své normální prostředí, jako je živá buňka. Navrhla molekuly, které nazývala náhodnými heteropolymery, nebo RHPs, které ovinují enzym a jemně ho drží pohromadě, aniž by omezovaly jeho přirozenou pružnost. RHPs se skládají ze čtyř typů monomerních podjednotek, z nichž každá má chemické vlastnosti určené k interakci s chemickými skupinami na povrchu specifického enzymu. Rozkládají se pod ultrafialovým světlem a jsou přítomny v koncentraci menší než 1% hmotnosti plastu — dostatečně nízké, aby to nebyl problém.

pro výzkum popsaný v Nature paper použila Xu a její tým podobnou techniku, která zakrývala enzym v RHPs a vložila miliardy těchto nanočástic do korálků z plastové pryskyřice, které jsou výchozím bodem pro veškerou výrobu plastů. Srovnává tento proces s vložením pigmentů do plastu, aby je zbarvila. Vědci ukázali, že enzymy zahalené RHP nezměnily charakter plastu, který by mohl být roztaven a vytlačován na vlákna jako normální polyesterový plast při teplotách kolem 170 stupňů Celsia nebo 338 stupňů Fahrenheita.

pro spuštění degradace bylo nutné pouze přidat vodu a trochu tepla. Při pokojové teplotě 80% modifikovaných vláken PLA zcela degradovalo během přibližně jednoho týdne. Degradace byla rychlejší při vyšších teplotách. V podmínkách průmyslového kompostování modifikovaná PLA degradovala během šesti dnů při 50 stupních Celsia (122 F). Další polyesterový plast, PCL (polykaprolakton), degradován za dva dny za podmínek průmyslového kompostování při 40 stupních Celsia (104 F). Pro PLA vložila enzym zvaný proteináza K, který žvýká PLA do molekul kyseliny mléčné; pro PCL použila lipázu. Oba jsou levné a snadno dostupné enzymy.

„pokud máte enzym pouze na povrchu plastu, jen by se leptal velmi pomalu,“ řekl Xu. „Chcete, aby byl rozložen nanoskopicky všude, takže v podstatě každý z nich potřebuje sežrat své polymerní sousedy a pak se celý materiál rozpadne.“

kompostování

rychlá degradace funguje dobře s komunálním kompostováním, které obvykle trvá 60 až 90 dní, než se potravinový a rostlinný odpad změní na použitelný kompost. Průmyslové kompostování při vysokých teplotách trvá méně času, ale modifikované polyestery se také při těchto teplotách rozpadají rychleji.

Xu má podezření, že vyšší teploty způsobují, že se zakrytý enzym pohybuje více, což mu umožňuje rychleji najít konec polymerního řetězce a žvýkat ho a poté přejít k dalšímu řetězci. Enzymy zabalené v RHP mají také tendenci se vázat blízko konců polymerních řetězců a udržovat enzymy blízko svých cílů.

modifikované polyestery se nedegradují při nižších teplotách nebo během krátkých období vlhkosti, řekla. Polyesterová košile vyrobená tímto procesem by například odolávala potu a praní při mírných teplotách. Namáčení ve vodě po dobu tří měsíců při pokojové teplotě nezpůsobilo degradaci plastu.

namáčení ve vlažné vodě vede k degradaci, jak ukázala ona a její tým.

“ ukazuje se, že kompostování nestačí — lidé chtějí kompostovat ve svém domě, aniž by si zašpinili ruce, chtějí kompostovat ve vodě,“ řekla. „Tak, to je to, co jsme se snažili vidět. Použili jsme teplou vodu z vodovodu. Stačí ji zahřát na správnou teplotu, pak ji vložit a za pár dní vidíme, že zmizí.“

Xu vyvíjí enzymy zabalené do RHP, které mohou degradovat jiné typy polyesterového plastu, ale také modifikuje RHPs tak, aby degradace mohla být naprogramována tak, aby se zastavila v určitém bodě a zcela nezničila materiál. To by mohlo být užitečné, kdyby byl plast přetaven a přeměněn na nový plast.

projekt je částečně podporován armádním výzkumným Úřadem Ministerstva obrany, prvkem Armádní výzkumné laboratoře velitelství bojových schopností armády USA.

“ tyto výsledky poskytují základ pro racionální návrh polymerních materiálů, které by mohly degradovat v relativně krátkých časových lhůtách, což by mohlo poskytnout významné výhody pro armádní logistiku související s nakládáním s odpady,“ řekla Stephanie McElhinny, Ph.D., programová manažerka s armádním výzkumným Úřadem. „Obecněji řečeno, tyto výsledky poskytují vhled do strategií pro začlenění aktivních biomolekul do pevných materiálů, což by mohlo mít důsledky pro řadu budoucích armádních schopností, včetně snímání, dekontaminace a samoléčebných materiálů.“

Xu řekl, že programovaná degradace by mohla být klíčem k recyklaci mnoha objektů. Představte si, řekla, pomocí biologicky rozložitelného lepidla k sestavení počítačových obvodů nebo dokonce celých telefonů nebo elektroniky, pak, až s nimi skončíte, rozpusťte lepidlo tak, aby se zařízení rozpadla a všechny kusy mohly být znovu použity.

“ pro millennials je dobré o tom přemýšlet a zahájit konverzaci, která změní způsob, jakým komunikujeme se zemí,“ řekl Xu. „Podívejte se na všechny zbytečné věci, které vyhazujeme: oblečení, boty, elektronika jako mobily a počítače. Bereme věci ze země rychleji, než je můžeme vrátit. Nevracejte se na Zemi, abyste těžili tyto materiály, ale vytěžte vše, co máte, a pak je přeměňte na něco jiného.“

spoluautory článku jsou Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li a Robert Ritchie z UC Berkeley; Corinne Scown z Berkeley Lab; a Thomas Russell z University of Massachusetts v Amherstu. Práce byla financována především americkým ministerstvem energetiky (DE-AC02-05-CH11231), s pomocí armádního výzkumného úřadu a stipendijního programu Bakar UC Berkeley.