en modificeret plast (venstre) nedbrydes efter kun tre dage i standardkompost (højre) og helt efter to uger. (UC Berkeley foto af Ting)
bionedbrydelig plast er blevet annonceret som en løsning på plastforureningsproblemet, der bedeviler verden, men dagens “komposterbare” plastposer, redskaber og koppelåg nedbrydes ikke under typisk kompostering og forurener anden genanvendelig plast, hvilket skaber hovedpine for genanvendere. De fleste komposterbare plastmaterialer, der primært er fremstillet af polyesteren kendt som polymælkesyre eller PLA, ender på lossepladser og varer så længe som evigt plast.
University of California, Berkeley, forskere har nu opfundet en måde at få disse komposterbare plast til at nedbrydes lettere med bare varme og vand inden for få uger og løse et problem, der har forvirret Plastindustrien og miljøforkæmpere.
“folk er nu parate til at flytte ind i biologisk nedbrydelige polymerer til engangsplast, men hvis det viser sig, at det skaber flere problemer, end det er værd, kan politikken muligvis vende tilbage,” sagde Ting, UC Berkeley professor i materialevidenskab og teknik og kemi. “Vi siger grundlæggende, at vi er på rette vej. Vi kan løse dette vedvarende problem med, at engangsplast ikke er bionedbrydeligt.”
Hsu er seniorforfatter af et papir, der beskriver processen, der vises i denne uges udgave af tidsskriftet Nature.
den nye teknologi skal teoretisk kunne anvendes på andre typer polyesterplast, hvilket måske tillader oprettelse af komposterbare plastbeholdere, der i øjeblikket er lavet af polyethylen, en type polyolefin, der ikke nedbrydes. Vi mener, at polyolefin plast bedst omdannes til højere værdi produkter, ikke kompost, og arbejder på måder at omdanne genanvendt polyolefin plast til genbrug.
en smeltekstruderet PCL (polycaprolacton) plastfilament (til venstre) med indlejrede nanoklynger af lipasen indhyllet med RHP nedbrydes næsten fuldstændigt til små molekyler inden for 36 timer i varmt (104 F) vand. (Billeder af Christopher DelRe)
den nye proces involverer indlejring af polyesterspisende stoffer i plasten, som den er lavet. Disse er beskyttet af en simpel polymerindpakning, der forhindrer det i at løsne sig og blive ubrugeligt. Når den udsættes for varme og vand, rykker den af sin polymerhylster og begynder at chomping plastpolymeren i sine byggesten — i tilfælde af PLA, reducerer den til mælkesyre, som kan fodre jordmikroberne i kompost. Polymerindpakningen nedbrydes også.
processen eliminerer mikroplast, et biprodukt af mange kemiske nedbrydningsprocesser og et forurenende stof i sig selv. Op til 98% af plasten, der fremstilles ved hjælp af Hsu ‘ s teknik, nedbrydes til små molekyler.
en af undersøgelsens medforfattere, tidligere UC Berkeley ph.d.-studerende Aaron Hall, har udskilt et firma for at videreudvikle disse biologisk nedbrydelige plastmaterialer.
Making plastic self-destruct
plast er designet til ikke at bryde ned under normal brug, men det betyder også, at de ikke nedbrydes, efter at de er kasseret. Den mest holdbare plast har en næsten krystallignende molekylær struktur, med polymerfibre justeret så tæt, at vand ikke kan trænge ind i dem, endsige mikrober, der kan tygge polymererne, som er organiske molekyler.
kan nedbryde plastpolymerer fra overfladen (øverst til venstre), men de skærer polymeren tilfældigt op og efterlader mikroplast bagved (øverst til højre). En UC Berkeley-gruppe indlejrede nanoklynger i hele plasten (nederst til venstre), beskyttet af tilfældige heteropolymerer (kæder med farvede kugler). De indlejrede polymerkæder immobiliseres nær enden af polymerkæderne, og under de rette betingelser for varme og fugt nedbrydes polymermolekyler primært fra kædeenden. Denne teknik bevarer plastens integritet under brug, men når brugeren udløser depolymerisering, går plasten helt ned til genanvendelige biprodukter med små molekyler. (Grafisk af Christopher DelRe)
ideen var at indlejre nanoskala-polymerædende stoffer direkte i en plastik eller et andet materiale på en måde, der sekvestrerer og beskytter dem, indtil de rette forhold frigør dem. I 2018 viste hun, hvordan dette fungerer i praksis. Hun og hendes UC Berkeley team indlejret i en fibermåtte, der nedbryder giftige organophosphatkemikalier, som dem i insekticider og kemiske krigsføringsmidler. Da måtten blev nedsænket i kemikaliet, brød det indlejrede f.eks.
hendes vigtigste innovation var en måde at beskytte mod at falde fra hinanden, hvilket proteiner typisk gør uden for deres normale miljø, såsom en levende celle. Hun designede molekyler, hun kaldte tilfældige heteropolymerer, eller RHP ‘ er, der vikles rundt og forsigtigt holder det sammen uden at begrænse dets naturlige fleksibilitet. RHP ‘ erne er sammensat af fire typer monomerunderenheder, hver med kemiske egenskaber designet til at interagere med kemiske grupper på overfladen af det specifikke. De nedbrydes under ultraviolet lys og er til stede i en koncentration på mindre end 1% af plastens vægt — lav nok til ikke at være et problem.
til den forskning, der er rapporteret i Nature-papiret, brugte Hsu og hendes team en lignende teknik, der indhyllede RHP ‘ erne og indlejrede milliarder af disse nanopartikler i plastharpiksperler, der er udgangspunktet for al plastproduktion. Hun sammenligner denne proces med indlejring af pigmenter i plast for at farve dem. Forskerne viste, at RHP-indhyllet ikke ændrede plastens karakter, som kunne smeltes og ekstruderes til fibre som normal polyesterplast ved temperaturer omkring 170 grader Celsius eller 338 grader Fahrenheit.
en film af PLA (polymælkesyre) plast umiddelbart efter at være anbragt i kompost (venstre) og efter en uge i komposten (højre). PLA plast kan nedbrydes til simple molekyler, hvilket gør det lovende som et fremtidigt alternativ til en ikke-nedbrydelig plast. (UC Berkeley foto af Adam Lau / Berkeley Engineering)
for at udløse nedbrydning var det kun nødvendigt at tilføje vand og lidt varme. Ved stuetemperatur nedbrydes 80% af de modificerede PLA-fibre helt inden for ca.en uge. Nedbrydning var hurtigere ved højere temperaturer. Under industrielle komposteringsbetingelser nedbrydes den modificerede PLA inden for seks dage ved 50 grader Celsius (122 F). En anden polyesterplast, PCL (polycaprolacton), nedbrydes på to dage under industrielle komposteringsbetingelser ved 40 grader Celsius (104 F). Til PLA indlejrede hun et proteinase K, der tygger PLA op i molekyler af mælkesyre; til PCL brugte hun lipase. Begge er billige og let tilgængelige.
“hvis du kun har etsymet på overfladen af plastik, ville det bare ætse meget langsomt,” sagde han. “Du vil have det distribueret nanoskopisk overalt, så i det væsentlige skal hver af dem bare spise deres polymernaboer væk, og så går hele materialet i opløsning.”
kompostering
den hurtige nedbrydning fungerer godt med kommunal kompostering, hvilket typisk tager 60 til 90 dage at omdanne mad og planteaffald til brugbar kompost. Industriel kompostering ved høje temperaturer tager mindre tid, men de modificerede polyestere nedbrydes også hurtigere ved disse temperaturer.
kandidatstuderende Ivan Jayapurna med en prøvefilm af PCL (polycaprolacton), en ny, biologisk nedbrydelig polyesterplast. PCL har mekaniske egenskaber, der ligner lavdensitetspolyethylen, hvilket gør det til et lovende fremtidigt alternativ til ikke-bionedbrydelig plast. (UC Berkeley foto af Adam Lau / Berkeley Engineering)
højere temperaturer får det indhyllede stof til at bevæge sig mere, så det hurtigere kan finde enden af en polymerkæde og tygge den op og derefter gå videre til den næste kæde. De har også en tendens til at binde tæt på enderne af polymerkæder og holde dem tæt på deres mål.
de modificerede polyestere nedbrydes ikke ved lavere temperaturer eller i korte perioder med fugt, sagde hun. En polyester skjorte lavet med denne proces ville modstå sved og vask ved moderate temperaturer, for eksempel. Blødgøring i vand i tre måneder ved stuetemperatur fik ikke plasten til at nedbrydes.
opblødning i lunkent vand fører til nedbrydning, som hun og hendes team demonstrerede.
“det viser sig, at kompostering ikke er nok — folk vil kompostere i deres hjem uden at få deres hænder beskidte, de vil kompostere i vand,” sagde hun. “Det var det, vi forsøgte at se. Vi brugte varmt ledningsvand. Bare varm det op til den rigtige temperatur, så sæt den ind, og vi ser om et par dage det forsvinder.”
Hsu Udvikler RHP-indpakkede stoffer, der kan nedbryde andre typer polyesterplast, men hun ændrer også RHP ‘ erne, så nedbrydningen kan programmeres til at stoppe på et bestemt punkt og ikke ødelægge materialet fuldstændigt. Dette kan være nyttigt, hvis plasten skulle omsmeltes og omdannes til ny plast.
projektet er delvist støttet af Department of Defense ‘s Army Research Office, et element i US Army Combat Capabilities Development Command’ S Army Research Laboratory.
“disse resultater giver et fundament for det rationelle design af polymere materialer, der kan nedbrydes over relativt korte tidsskalaer, hvilket kan give betydelige fordele for Hærlogistik relateret til affaldshåndtering,” sagde Stephanie McElhinny, Ph. D., programleder hos Army Research Office. “Mere bredt giver disse resultater indsigt i strategier for inkorporering af aktive biomolekyler i solid state-materialer, hvilket kan have konsekvenser for en række fremtidige Hærfunktioner, herunder sensing, dekontaminering og selvhelbredende materialer.”
en film af PLA (polymælkesyre) plast indlejret med et ferment for at gøre det biologisk nedbrydeligt hurtigt i almindelig kompost. (UC Berkeley foto af Adam Lau / Berkeley Engineering)
programmeret nedbrydning kan være nøglen til genbrug af mange genstande. Forestil dig, sagde hun, ved hjælp af biologisk nedbrydelig lim til at samle computerkredsløb eller endda hele telefoner eller elektronik, så når du er færdig med dem, opløses limen, så enhederne falder fra hinanden, og alle brikkerne kan genbruges.
“det er godt for millennials at tænke over dette og starte en samtale, der vil ændre den måde, vi interface med jorden,” sagde han. “Se på alle de spildte ting, vi smider væk: tøj, sko, elektronik som mobiltelefoner og computere. Vi tager ting fra jorden i et hurtigere tempo, end vi kan returnere dem. Gå ikke tilbage til Jorden for at mine for disse materialer, men mine hvad du har, og konverter det derefter til noget andet.”
medforfattere af papiret inkluderer Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo kang, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Jiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Solkin, Tim Li og Robert Ritchie fra UC Berkeley; Corinne Scout fra Berkeley Lab; og Thomas Russell fra University of Massachusetts i Amherst. Arbejdet blev primært finansieret af US Department of Energy (de-AC02-05-CH11231) med hjælp fra Army Research Office og UC Berkeley ‘ s Bakar stipendieprogram.