modifioitu muovi (vasemmalla) hajoaa vain kolmen päivän kuluttua standardikompostissa (oikealla) ja kokonaan kahden viikon kuluttua. (UC Berkeley kuva: Ting Xu)
biohajoavia muoveja on mainostettu yhtenä ratkaisuna maailmaa vaivaavaan muovisaasteongelmaan, mutta nykypäivän ”kompostoitavat” muovipussit, astiat ja kuppikannet eivät hajoa tyypillisen kompostoinnin aikana ja saastuta muita kierrätettäviä muoveja, mikä aiheuttaa päänsärkyä kierrättäjille. Useimmat kompostoitavat muovit, jotka on valmistettu pääasiassa polylaktiseksi hapoksi eli PLA: ksi kutsutusta polyesteristä, päätyvät kaatopaikoille ja kestävät muoveja yhtä kauan kuin ikuisesti.
Kalifornian yliopiston Berkeleyn tutkijat ovat nyt keksineet keinon saada nämä kompostoituvat muovit hajoamaan helpommin pelkällä lämmöllä ja vedellä muutamassa viikossa, ja ratkaista muoviteollisuutta ja ympäristönsuojelijoita kuohuttanut ongelma.
”ihmiset ovat nyt valmiita siirtymään biohajoaviin polymeereihin kertakäyttöisissä muoveissa, mutta jos käy ilmi, että se aiheuttaa enemmän ongelmia kuin kannattaa, politiikka saattaa palata takaisin”, sanoi Ting Xu, UC Berkeleyn materiaalitieteen ja tekniikan sekä kemian professori. ”Pohjimmiltaan sanomme, että olemme oikealla tiellä. Voimme ratkaista tämän jatkuvan ongelman, jonka mukaan kertakäyttöiset muovit eivät ole biohajoavia.”
Xu on vanhempi tekijä prosessissa, joka ilmestyy tämän viikon Nature-lehden numerossa.
uutta tekniikkaa pitäisi teoriassa soveltaa muuntyyppisiin polyesterimuoveihin, jolloin voitaisiin ehkä luoda kompostoituvia muoviastioita, jotka on tällä hetkellä valmistettu polyeteenistä, polyolefiinistä, joka ei hajoa. Xu on sitä mieltä, että polyolefiinimuovit on parasta muuttaa arvokkaammiksi tuotteiksi, ei kompostiksi, ja pyrkii kehittämään tapoja muuntaa kierrätettyjä polyolefiinimuoveja uusiokäyttöön.
SULAPURISTETTU PCL (polysaprolaktoni) muovihehkulanka (vas.), johon on upotettu RHP: llä verhoiltu lipaasientsyymin nanoklusterit, hajosi lähes kokonaan pieniksi molekyyleiksi 36 tunnin kuluessa lämpimässä (104 F) vedessä. (Kuvat: Christopher DelRe)
uuteen prosessiin kuuluu polyesteriä syövien entsyymien upottaminen muoviin sitä mukaa kuin sitä valmistetaan. Nämä entsyymit on suojattu yksinkertaisella polymeerikääreellä, joka estää entsyymiä irtoamasta ja muuttumasta hyödyttömäksi. Kun entsyymi altistuu lämmölle ja vedelle, se kohauttaa polymeerin käärinliinansa ja alkaa sommitella muovipolymeeria rakennuspalikoikseen — PLA: n tapauksessa pelkistäen sen maitohapoksi, joka voi ruokkia kompostissa olevia maaperän mikrobeja. Myös polymeerikääre hajoaa.
prosessi poistaa mikromuovit, monien kemiallisten hajoamisprosessien sivutuotteen ja itsessään epäpuhtauden. Jopa 98% Xu: n tekniikalla valmistetusta muovista hajoaa pieniksi molekyyleiksi.
yksi tutkimuksen tekijöistä, entinen UC Berkeleyn tohtorikoulutettava Aaron Hall, on perustanut yrityksen kehittämään edelleen näitä biohajoavia muoveja.
muovin itsetuho
muovit on suunniteltu niin, etteivät ne hajoa normaalissa käytössä, mutta se tarkoittaa myös sitä, että ne eivät hajoa poisheittämisen jälkeen. Kestävimmillä muoveilla on lähes Kidemäinen molekyylirakenne, jossa polymeerikuidut ovat niin tiukasti linjassa, ettei vesi pääse niiden läpi, puhumattakaan mikrobeista, jotka saattavat pureskella polymeerejä, jotka ovat orgaanisia molekyylejä.
entsyymit kuten lipaasi (vihreät pallot) voivat hajottaa muovipolymeerejä pinnalta (ylhäällä vasemmalla), mutta ne pilkkovat polymeerin satunnaisesti jättäen mikromuovit jälkeensä (ylhäällä oikealla). UC Berkeley ryhmä upotettu entsyymi nanoclusters koko muovi (alavas.), suojattu satunnainen heteropolymeerit (ketjut värillisiä palloja). Sulautetut entsyymit immobilisoituvat lähellä polymeeriketjujen päätä ja oikeissa lämpö-ja kosteusolosuhteissa hajottavat polymeerimolekyylejä ensisijaisesti ketjun päästä. Tämä tekniikka säilyttää muovin eheyden käytön aikana, mutta kun käyttäjä laukaisee depolymeroinnin, muovi menee aina kierrätettäviin pienimolekyylisiin sivutuotteisiin. (Graafikko Christopher DelRe)
Xu: n ideana oli upottaa nanomittaisia polymeerinsyöjäentsyymejä suoraan muoviin tai muuhun materiaaliin tavalla, joka sitoo ja suojaa niitä, kunnes oikeat olosuhteet vapauttavat ne. Vuonna 2018 hän näytti, miten tämä toimii käytännössä. Hän ja hänen UC Berkeley-tiiminsä upottivat kuitumattoon entsyymin, joka hajottaa myrkyllisiä organofosfaattikemikaaleja, kuten hyönteismyrkkyjä ja kemiallisen sodankäynnin aineita. Kun matto upotettiin kemikaaliin, upotettu entsyymi hajotti organofosfaatin.
hänen keskeinen innovaationsa oli tapa suojella entsyymiä hajoamiselta, minkä proteiinit tyypillisesti tekevät normaalin ympäristönsä, kuten elävän solun ulkopuolella. Hän suunnitteli molekyylejä, joita hän kutsui satunnaisiksi heteropolymeereiksi eli RHPs: iksi, jotka kietoutuvat entsyymin ympärille ja pitävät sitä hellästi koossa rajoittamatta sen luonnollista joustavuutta. RHPs koostuu neljästä monomeerialayksiköstä, joilla kaikilla on Kemialliset ominaisuudet, jotka on suunniteltu vuorovaikutukseen tietyn entsyymin pinnalla olevien kemiallisten ryhmien kanssa. Ne hajoavat ultraviolettivalossa ja ovat läsnä pitoisuutena, joka on alle 1% muovin painosta – tarpeeksi alhainen, jotta se ei ole ongelma.
Nature-lehdessä raportoidussa tutkimuksessa Xu ja hänen tiiminsä käyttivät samanlaista tekniikkaa, jossa entsyymi peitettiin RHPs: ään ja upotettiin miljardeja näitä nanohiukkasia muovihelmiin, jotka ovat kaiken muovin valmistuksen lähtökohta. Hän vertaa tätä prosessia pigmenttien upottamiseen muoviin niiden värjäämiseksi. Tutkijat osoittivat, että RHP: n verhoamat entsyymit eivät muuttaneet muovin luonnetta, sillä se voitiin sulattaa ja pursottaa kuiduiksi normaalin polyesterimuovin tavoin noin 170 celsiusasteen eli 338 Fahrenheit-asteen lämpötilassa.
PLA (polylaktinen happo) muovikalvo heti kompostiin asettamisen jälkeen (vasemmalla) ja viikon kuluttua kompostissa (oikealla). Entsyymin kanssa upotettu PLA-muovi voi hajota yksinkertaisiksi molekyyleiksi, mikä tekee siitä lupaavan tulevaisuuden vaihtoehdon hajoamattomalle muoville. (UC Berkeley kuva: Adam Lau/Berkeley Engineering)
hajoamisen laukaisemiseksi tarvittiin vain vettä ja vähän lämpöä. Huoneenlämmössä 80% muokatuista PLA-kuiduista hajosi kokonaan noin viikossa. Hajoaminen oli nopeampaa korkeammissa lämpötiloissa. Teollisissa kompostointiolosuhteissa modifioitu PLA hajosi kuuden päivän kuluessa 50 celsiusasteessa (122 F). Toinen polyesterimuovi, PCL (polysaprolaktoni), hajoaa kahdessa päivässä teollisissa kompostointiolosuhteissa 40 celsiusasteessa (104 F). PLA: han hän upotti proteinaasi K-nimisen entsyymin, joka pureskelee PLA: ta maitohappomolekyyleiksi; PCL: ään hän käytti lipaasia. Molemmat ovat edullisia ja helposti saatavilla entsyymejä.
”jos entsyymiä on vain muovin pinnalla, se vain syövyttäisi hyvin hitaasti”, Xu sanoi. ”Haluat, että se jaetaan nanokokoisesti kaikkialle niin, että pohjimmiltaan, jokainen niistä tarvitsee vain syödä pois polymeeri naapureita, ja sitten koko materiaali hajoaa.”
Kompostointi
nopea hajoaminen toimii hyvin kunnallisessa kompostoinnissa, jossa ruoka-ja kasvijätteen muuttaminen käyttökelpoiseksi kompostiksi kestää tyypillisesti 60-90 päivää. Teollinen kompostointi korkeissa lämpötiloissa vie vähemmän aikaa, mutta modifioidut polyesterit myös hajoavat nopeammin näissä lämpötiloissa.
jatko-opiskelija Ivan Jayapurna, jonka näytekalvo on PCL: ää (polysaprolaktonia), uutta biohajoavaa polyesterimuovia. PCL: llä, jossa on sulautettuja entsyymejä, on hyvin samanlaiset mekaaniset ominaisuudet kuin pientiheyspolyeteenillä, joten se on lupaava tulevaisuuden vaihtoehto biohajoamattomille muoveille. (UC Berkeley kuva: Adam Lau/Berkeley Engineering)
Xu epäilee, että korkeammat lämpötilat saavat suojatun entsyymin liikkumaan enemmän, jolloin se löytää nopeammin polymeeriketjun pään ja pureskelee sen ja siirtyy sitten seuraavaan ketjuun. RHP-käärityt entsyymit pyrkivät myös sitoutumaan polymeeriketjujen päiden lähelle pitäen entsyymit lähellä kohteitaan.
modifioidut polyesterit eivät hajoa alemmissa lämpötiloissa tai lyhyissä kosteusjaksoissa, hän sanoi. Tällä prosessilla valmistettu polyesteripaita kestäisi esimerkiksi hikeä ja pesua maltillisissa lämpötiloissa. Kolme kuukautta huoneenlämmössä vedessä liottaminen ei aiheuttanut muovin hajoamista.
haaleassa vedessä liottaminen johtaa hajoamiseen, kuten hän ryhmineen osoitti.
”käy ilmi, että kompostointi ei riitä — ihmiset haluavat kompostoida kotonaan likaamatta käsiään, he haluavat kompostoida vedessä”, hän sanoi. ”Sitä me siis yritimme nähdä. Käytimme lämmintä vesijohtovettä. Lämmitä se oikeaan lämpötilaan, laita se sisään, ja näemme muutaman päivän kuluttua sen katoavan.”
Xu kehittää RHP-käärittyjä entsyymejä, jotka voivat hajottaa muuntyyppistä polyesterimuovia, mutta hän myös muokkaa RHPs: ää niin, että hajoaminen voidaan ohjelmoida pysähtymään tiettyyn pisteeseen eikä tuhoamaan materiaalia kokonaan. Tästä voisi olla hyötyä, jos muovi sulatettaisiin uudelleen ja muutettaisiin uudeksi muoviksi.
hanketta tukee osittain puolustusministeriön Army Research Office, joka on osa Yhdysvaltain armeijan taisteluvalmiuksien Kehityskomentokomitean Army Research Laboratorya.
”nämä tulokset luovat perustan polymeeristen materiaalien rationaaliselle suunnittelulle, joka voisi hajota suhteellisen lyhyessä ajassa, mikä voisi tarjota merkittäviä etuja armeijan logistiikkaan liittyen jätehuoltoon”, sanoi Stephanie McElhinny, Ph. D., ohjelmapäällikkö armeijan Tutkimustoimistosta. ”Laajemmin nämä tulokset antavat käsityksen strategioista aktiivisten biomolekyylien sisällyttämiseksi solid-state-materiaaleihin, millä voi olla vaikutuksia moniin tuleviin armeijan valmiuksiin, kuten aistimiseen, puhdistamiseen ja itsensä parantaviin materiaaleihin.”
muovikappale, jossa on PLA (polylaktinen happo) muovikalvo, johon on upotettu entsyymi, joka saa sen hajoamaan nopeasti tavallisessa kompostissa. (UC Berkeley kuva: Adam Lau/Berkeley Engineering)
Xu sanoi, että ohjelmoitu hajoaminen voi olla avain monien esineiden kierrätykseen. Kuvittele, hän sanoi, käyttämällä biohajoavaa liimaa kokoamaan tietokonepiirejä tai jopa kokonaisia puhelimia tai elektroniikkaa, sitten, kun olet valmis niiden kanssa, liuottamalla liima niin, että laitteet hajoavat ja kaikki osat voidaan käyttää uudelleen.
”milleniaalien on hyvä miettiä tätä ja aloittaa keskustelu, joka muuttaa tapaa, jolla liitymme maahan”, Xu sanoi. ”Katso kaikkea hukkaan heitettyä tavaraa: vaatteita, kenkiä, elektroniikkaa, kuten kännyköitä ja tietokoneita. Otamme tavaroita maasta nopeammin kuin voimme palauttaa niitä. Älä mene takaisin maahan louhimaan näitä materiaaleja, vaan louhimaan mitä sinulla on, ja sitten muuttamaan se joksikin muuksi.”
lehden kirjoittajia ovat Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li ja Robert Ritchie UC Berkeleystä, Corinne Scown Berkeley Laboratorysta ja Thomas Russell Massachusettsin yliopistosta Amherstista. Työtä rahoitti pääasiassa Yhdysvaltain energiaministeriö (DE-AC02-05-CH11231), avustuksella Army Research Office ja UC Berkeleyn Bakar Fellowship program.