Ein modifizierter Kunststoff (links) zerfällt nach nur drei Tagen im Standardkompost (rechts) und nach zwei Wochen vollständig. (UC Berkeley Foto von Ting Xu)
Biologisch abbaubare Kunststoffe wurden als eine Lösung für das Problem der Plastikverschmutzung beworben, aber die heutigen „kompostierbaren“ Plastiktüten, Utensilien und Becherdeckel brechen während der typischen Kompostierung nicht zusammen und kontaminieren andere recycelbare Kunststoffe, was den Recyclern Kopfschmerzen bereitet. Die meisten kompostierbaren Kunststoffe, die hauptsächlich aus dem als Polymilchsäure oder PLA bekannten Polyester bestehen, landen auf Deponien und halten so lange wie Kunststoffe.
Wissenschaftler der University of California, Berkeley, haben nun einen Weg gefunden, diese kompostierbaren Kunststoffe mit nur Wärme und Wasser innerhalb weniger Wochen leichter zu zersetzen und ein Problem zu lösen, das die Kunststoffindustrie und Umweltschützer verblüfft hat.
„Die Menschen sind jetzt bereit, in biologisch abbaubare Polymere für Einwegkunststoffe umzusteigen, aber wenn sich herausstellt, dass dies mehr Probleme verursacht, als es wert ist, könnte die Politik zurückkehren“, sagte Ting Xu, UC Berkeley Professor für Materialwissenschaften und -technik und Chemie. „Wir sagen grundsätzlich, dass wir auf dem richtigen Weg sind. Wir können dieses anhaltende Problem lösen, dass Einwegkunststoffe nicht biologisch abbaubar sind.“
Xu ist der leitende Autor eines Papiers, das den Prozess beschreibt, der in der Ausgabe dieser Woche der Zeitschrift Nature erscheinen wird.
Die neue Technologie sollte theoretisch auf andere Arten von Polyesterkunststoffen anwendbar sein und möglicherweise die Herstellung kompostierbarer Kunststoffbehälter ermöglichen, die derzeit aus Polyethylen bestehen, einer Art Polyolefin, das sich nicht abbaut. Xu ist der Meinung, dass Polyolefinkunststoffe am besten in höherwertige Produkte und nicht in Kompost umgewandelt werden können, und arbeitet an Möglichkeiten, recycelte Polyolefinkunststoffe für die Wiederverwendung umzuwandeln.
Ein schmelzextrudiertes PCL (Polycaprolacton) -Kunststofffilament (links) mit eingebetteten Nanoclustern des mit RHP umhüllten Enzyms Lipase wird in warmem (104 F) Wasser innerhalb von 36 Stunden nahezu vollständig zu kleinen Molekülen abgebaut. (Fotos von Christopher DelRe)
Das neue Verfahren beinhaltet die Einbettung von polyesterfressenden Enzymen in den Kunststoff, während er hergestellt wird. Diese Enzyme sind durch eine einfache Polymerhülle geschützt, die verhindert, dass sich das Enzym entwirrt und unbrauchbar wird. Wenn es Hitze und Wasser ausgesetzt wird, zuckt das Enzym mit den Schultern und beginnt, das Kunststoffpolymer in seine Bausteine zu zerkleinern — im Fall von PLA wird es zu Milchsäure reduziert, die die Bodenmikroben im Kompost ernähren kann. Die Polymerhülle wird ebenfalls abgebaut.
Das Verfahren eliminiert Mikroplastik, ein Nebenprodukt vieler chemischer Abbauprozesse und ein Schadstoff für sich. Bis zu 98% des Kunststoffs, der mit Xus Technik hergestellt wird, zerfällt in kleine Moleküle.
Einer der Co-Autoren der Studie, der ehemalige UC Berkeley-Doktorand Aaron Hall, hat ein Unternehmen ausgegliedert, um diese biologisch abbaubaren Kunststoffe weiterzuentwickeln.
Kunststoff selbstzerstörerisch machen
Kunststoffe sind so konzipiert, dass sie bei normalem Gebrauch nicht zerfallen, aber das bedeutet auch, dass sie nach dem Wegwerfen nicht zerfallen. Die haltbarsten Kunststoffe haben eine fast kristallähnliche Molekülstruktur, wobei Polymerfasern so eng ausgerichtet sind, dass Wasser nicht in sie eindringen kann, geschweige denn Mikroben, die die Polymere, die organische Moleküle sind, zerkauen könnten.
Enzyme wie Lipase (grüne Kugeln) können Kunststoffpolymere von der Oberfläche abbauen (oben links), aber sie schneiden das Polymer zufällig auf und hinterlassen Mikroplastik (oben rechts). Eine UC Berkeley-Gruppe eingebettete Enzym-Nanocluster im gesamten Kunststoff (unten links), geschützt durch zufällige Heteropolymere (Ketten aus farbigen Kugeln). Die eingebetteten Enzyme werden nahe dem Ende der Polymerketten immobilisiert und bauen unter den richtigen Bedingungen von Wärme und Feuchtigkeit Polymermoleküle hauptsächlich vom Kettenende ab. Diese Technik behält die Integrität des Kunststoffs während des Gebrauchs bei, aber wenn der Benutzer die Depolymerisation auslöst, geht der Kunststoff bis hin zu recycelbaren kleinmolekularen Nebenprodukten. (Grafik von Christopher DelRe)
Xus Idee war, nanoskalige polymerfressende Enzyme direkt in einen Kunststoff oder ein anderes Material einzubetten, so dass sie sequestriert und geschützt werden, bis die richtigen Bedingungen sie freisetzen. 2018 zeigte sie, wie das in der Praxis funktioniert. Sie und ihr UC Berkeley-Team eingebettet in eine Fasermatte ein Enzym, das giftige Organophosphat-Chemikalien abbaut, wie sie in Insektiziden und chemischen Kampfstoffen enthalten sind. Wenn die Matte in die Chemikalie eingetaucht wurde, brach das eingebettete Enzym das Organophosphat ab.
Ihre Schlüsselinnovation war ein Weg, das Enzym vor dem Auseinanderfallen zu schützen, was Proteine typischerweise außerhalb ihrer normalen Umgebung, wie einer lebenden Zelle, tun. Sie entwarf Moleküle, die sie zufällige Heteropolymere oder RHPs nannte, die sich um das Enzym wickeln und es sanft zusammenhalten, ohne seine natürliche Flexibilität einzuschränken. Die RHPs bestehen aus vier Arten von Monomeruntereinheiten mit jeweils chemischen Eigenschaften, die mit chemischen Gruppen auf der Oberfläche des spezifischen Enzyms interagieren. Sie zersetzen sich unter ultraviolettem Licht und sind in einer Konzentration von weniger als 1% des Gewichts des Kunststoffs vorhanden — niedrig genug, um kein Problem zu sein.
Für die in der Nature-Arbeit berichtete Forschung verwendeten Xu und ihr Team eine ähnliche Technik, indem sie das Enzym in RHPs einhüllten und Milliarden dieser Nanopartikel in Kunststoffharzperlen einbetteten, die der Ausgangspunkt für die gesamte Kunststoffherstellung sind. Sie vergleicht diesen Prozess mit dem Einbetten von Pigmenten in Kunststoff, um sie zu färben. Die Forscher zeigten, dass die RHP-ummantelten Enzyme den Charakter des Kunststoffs nicht veränderten, der wie normaler Polyesterkunststoff bei Temperaturen um 170 Grad Celsius oder 338 Grad Fahrenheit geschmolzen und zu Fasern extrudiert werden konnte.
Ein Film aus PLA (Polymilchsäure) -Kunststoff unmittelbar nach dem Einlegen in den Kompost (links) und nach einer Woche in den Kompost (rechts). Eingebettet in ein Enzym kann der PLA-Kunststoff zu einfachen Molekülen biologisch abgebaut werden, was ihn als zukünftige Alternative zu einem nicht abbaubaren Kunststoff vielversprechend macht. (UC Berkeley Foto von Adam Lau / Berkeley Engineering)
Um den Abbau auszulösen, musste nur Wasser und etwas Wärme hinzugefügt werden. Bei Raumtemperatur wurden 80% der modifizierten PLA-Fasern innerhalb von etwa einer Woche vollständig abgebaut. Der Abbau war bei höheren Temperaturen schneller. Unter industriellen Kompostierungsbedingungen wurde das modifizierte PLA innerhalb von sechs Tagen bei 50 Grad Celsius (122 F) abgebaut. Ein weiterer Polyesterkunststoff, PCL (Polycaprolacton), wurde in zwei Tagen unter industriellen Kompostierungsbedingungen bei 40 Grad Celsius (104 F) abgebaut. Für PLA hat sie ein Enzym namens Proteinase K eingebettet, das PLA in Moleküle von Milchsäure kaut; Für PCL verwendete sie Lipase. Beides sind preiswerte und leicht verfügbare Enzyme.
„Wenn Sie das Enzym nur auf der Oberfläche des Kunststoffs haben, würde es nur sehr langsam abätzen“, sagte Xu. „Sie möchten, dass es überall nanoskopisch verteilt wird, so dass im Wesentlichen jeder von ihnen nur seine Polymernachbarn wegfressen muss, und dann zerfällt das gesamte Material.“
Kompostierung
Der schnelle Abbau funktioniert gut mit kommunaler Kompostierung, die typischerweise 60 bis 90 Tage dauert, um Lebensmittel- und Pflanzenabfälle in nutzbaren Kompost umzuwandeln. Die industrielle Kompostierung bei hohen Temperaturen nimmt weniger Zeit in Anspruch, aber die modifizierten Polyester brechen bei diesen Temperaturen auch schneller ab.
Doktorand Ivan Jayapurna mit einem Probenfilm aus PCL (Polycaprolacton), einem neuen, biologisch abbaubaren Polyesterkunststoff. PCL mit eingebetteten Enzymen hat mechanische Eigenschaften, die denen von Polyethylen niedriger Dichte sehr ähnlich sind, was es zu einer vielversprechenden zukünftigen Alternative zu nicht biologisch abbaubaren Kunststoffen macht. (UC Berkeley Foto von Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu vermutet, dass höhere Temperaturen das umhüllte Enzym dazu bringen, sich mehr zu bewegen, so dass es schneller das Ende einer Polymerkette finden und kauen und dann zur nächsten Kette übergehen kann. Die RHP-wrapped Enzyme neigen auch dazu, in der Nähe der Enden der Polymerketten zu binden, die Enzyme in der Nähe ihrer Ziele zu halten.
Die modifizierten Polyester zersetzen sich nicht bei niedrigeren Temperaturen oder während kurzer Feuchtigkeitsperioden, sagte sie. Ein mit diesem Verfahren hergestelltes Polyesterhemd würde beispielsweise Schweiß und Waschen bei moderaten Temperaturen standhalten. Das Einweichen in Wasser für drei Monate bei Raumtemperatur führte nicht dazu, dass sich der Kunststoff abbaute.
Das Einweichen in lauwarmes Wasser führt zu einer Verschlechterung, wie sie und ihr Team zeigten.
„Es stellt sich heraus, dass Kompostierung nicht ausreicht — die Menschen wollen zu Hause kompostieren, ohne sich die Hände schmutzig zu machen, sie wollen in Wasser kompostieren“, sagte sie. „Also, das haben wir versucht zu sehen. Wir benutzten warmes Leitungswasser. Wärmen Sie es einfach auf die richtige Temperatur auf, legen Sie es dann hinein und wir sehen, dass es in ein paar Tagen verschwindet.“
Xu entwickelt RHP-umhüllte Enzyme, die andere Arten von Polyesterkunststoffen abbauen können, aber sie modifiziert auch das RHPs so, dass der Abbau so programmiert werden kann, dass er an einem bestimmten Punkt stoppt und das Material nicht vollständig zerstört. Dies könnte nützlich sein, wenn der Kunststoff umgeschmolzen und in neuen Kunststoff umgewandelt werden soll.
Das Projekt wird teilweise vom Army Research Office des Verteidigungsministeriums unterstützt, einem Element des Army Research Laboratory des US Army Combat Capabilities Development Command.
„Diese Ergebnisse liefern eine Grundlage für das rationelle Design von Polymermaterialien, die sich über relativ kurze Zeiträume abbauen könnten, was erhebliche Vorteile für die Armeelogistik im Zusammenhang mit der Abfallwirtschaft bieten könnte“, sagte Stephanie McElhinny, Ph.D., Programmmanagerin beim Army Research Office. „Im weiteren Sinne bieten diese Ergebnisse Einblicke in Strategien für den Einbau aktiver Biomoleküle in Festkörpermaterialien, die Auswirkungen auf eine Vielzahl zukünftiger militärischer Fähigkeiten haben könnten, einschließlich Sensorik, Dekontamination und Selbstheilungsmaterialien.“
Ein Film aus PLA (Polymilchsäure) -Kunststoff, der mit einem Enzym eingebettet ist, damit er sich in normalem Kompost schnell biologisch abbaut. (UC Berkeley Foto von Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu sagte, dass programmierte Degradation der Schlüssel zum Recycling vieler Objekte sein könnte. Stellen Sie sich vor, Sie würde biologisch abbaubaren Klebstoff verwenden, um Computerschaltungen oder sogar ganze Telefone oder Elektronik zusammenzubauen, und dann, wenn Sie damit fertig sind, den Klebstoff auflösen, damit die Geräte auseinanderfallen und alle Teile wiederverwendet werden können.
„Es ist gut für Millennials, darüber nachzudenken und ein Gespräch zu beginnen, das die Art und Weise, wie wir mit der Erde interagieren, verändern wird“, sagte Xu. „Schau dir all die verschwendeten Sachen an, die wir wegwerfen: kleidung, Schuhe, Elektronik wie Handys und Computer. Wir nehmen Dinge schneller von der Erde, als wir sie zurückgeben können. Geh nicht zurück zur Erde, um nach diesen Materialien zu suchen, sondern meins, was immer du hast, und wandle es dann in etwas anderes um.“
Co-Autoren des Papiers sind Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li und Robert Ritchie von der UC Berkeley; Corinne Scown von Berkeley Lab; und Thomas Russell von der University of Massachusetts in Amherst. Die Arbeit wurde hauptsächlich vom US-Energieministerium (DE-AC02-05-CH11231) mit Unterstützung des Army Research Office und des Bakar Fellowship-Programms der UC Berkeley finanziert.