a módosított műanyag (balra) mindössze három nap elteltével bomlik le a standard komposztban (jobbra), teljes egészében két hét után. (UC Berkeley fotó: Ting Xu)
a biológiailag lebomló műanyagokat a műanyagszennyezés problémájának egyik megoldásaként hirdették meg, de a mai “komposztálható” műanyag zacskók, edények és pohárfedelek nem bomlanak le a tipikus komposztálás során, és szennyezik az újrahasznosítható műanyagokat, ami fejfájást okoz az újrahasznosítóknak. A legtöbb komposztálható műanyag, amely elsősorban a polilaktsav vagy PLA néven ismert poliészterből készül, hulladéklerakókba kerül, és mindaddig tart, amíg örökké műanyag.
a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem tudósai most kitaláltak egy módszert arra, hogy ezek a komposztálható műanyagok néhány héten belül könnyebben, csak hővel és vízzel bomlanak le, megoldva a műanyagipart és a környezetvédőket megrázó problémát.
“az emberek most készen állnak arra, hogy biológiailag lebomló polimereket alkalmazzanak az egyszer használatos műanyagok számára, de ha kiderül, hogy ez több problémát okoz, mint amennyit ér, akkor a politika visszatérhet”-mondta Ting Xu, az UC Berkeley Anyagtudományi és mérnöki professzora, valamint a kémia. “Alapvetően azt mondjuk, hogy jó úton járunk. Megoldhatjuk azt a folyamatos problémát, hogy az egyszer használatos műanyagok nem bomlanak le biológiailag.”
Xu a Nature folyóirat e heti számában megjelenő folyamatot leíró cikk vezető szerzője.
az új technológiának elméletileg más típusú poliészter műanyagokra is alkalmazhatónak kell lennie, talán lehetővé téve komposztálható műanyag tartályok létrehozását, amelyek jelenleg polietilénből készülnek, egy olyan poliolefin típusból, amely nem bomlik le. Xu úgy véli, hogy a poliolefin műanyagokat a legjobb nagyobb értékű termékekké alakítani, nem pedig komposztálni, és azon dolgozik, hogy az újrahasznosított poliolefin műanyagokat újrafelhasználás céljából átalakítsák.
olvadék extrudált PCL (polikaprolakton) műanyag szál (balra), a lipáz enzim beágyazott nanoklasztereivel RHP-vel burkolva, 36 órán belül meleg (104 F) vízben szinte teljesen kis molekulákká bomlik. (Fotók: Christopher DelRe)
az új eljárás magában foglalja a poliészter-étkezési enzimek beágyazását a műanyagba, ahogy készül. Ezeket az enzimeket egy egyszerű polimer csomagolás védi, amely megakadályozza, hogy az enzim kibogozzon és használhatatlanná váljon. Amikor hőnek és víznek van kitéve, az enzim leveszi a polimer burkolatát, és elkezdi a műanyag polimert az építőelemekbe aprítani — a PLA esetében tejsavvá redukálva, amely táplálja a talaj mikrobáit a komposztban. A polimer csomagolás is lebomlik.
az eljárás kiküszöböli a mikroműanyagokat, amelyek számos kémiai lebomlási folyamat melléktermékei, és önmagukban szennyező anyagok. A Xu technikájával előállított műanyag akár 98% – a kis molekulákká bomlik.
a tanulmány egyik társszerzője, az UC Berkeley korábbi doktorandusza, Aaron Hall, leválasztott egy céget, hogy tovább fejlessze ezeket a biológiailag lebomló műanyagokat.
a műanyag önmegsemmisítése
a műanyagokat úgy tervezték, hogy normál használat közben ne bomlanak le, de ez azt is jelenti, hogy nem bomlanak le, miután eldobták őket. A legtartósabb műanyagok szinte kristályszerű molekuláris szerkezettel rendelkeznek, a polimer szálak olyan szorosan vannak egymáshoz igazítva, hogy a víz nem tud áthatolni rajtuk, nem is beszélve a mikrobákról, amelyek megrághatják a polimereket, amelyek szerves molekulák.
az enzimek, például a lipáz (zöld golyók) lebonthatják a műanyag polimereket a felületről (bal felső sarokban), de véletlenszerűen feldarabolják a polimert, így a mikroműanyagok mögött maradnak (jobb felső sarokban). Egy UC Berkeley csoport beágyazott enzim nanoklasztereket az egész műanyagban (bal alsó rész), véletlenszerű heteropolimerekkel (színes golyók láncai) védve. A beágyazott enzimek a polimerláncok végénél immobilizálódnak, és a megfelelő hő-és nedvességviszonyok mellett elsősorban a lánc végén lebontják a polimermolekulákat. Ez a technika megőrzi a műanyag integritását a használat során, de amikor a felhasználó kiváltja a depolimerizációt, a műanyag egészen újrahasznosítható kis molekulájú melléktermékekké válik. (Grafikus: Christopher DelRe)
Xu ötlete az volt, hogy a nanoméretű polimerevő enzimeket közvetlenül műanyagba vagy más anyagba ágyazzák, oly módon, hogy megkötik és megvédik őket, amíg a megfelelő körülmények el nem engedik őket. 2018-ban megmutatta, hogyan működik ez a gyakorlatban. Ő és az UC Berkeley csapata egy szálas szőnyegbe ágyaztak egy enzimet, amely lebontja a mérgező szerves foszfát vegyi anyagokat,mint például a rovarölő szerekben és a vegyi hadviselésben. Amikor a szőnyeget belemerítették a vegyi anyagba, a beágyazott enzim lebontotta a szerves foszfátot.
legfontosabb újítása az volt, hogy megvédje az enzimet a széteséstől, amit a fehérjék általában a normál környezetükön kívül, például egy élő sejten kívül tesznek. Olyan molekulákat tervezett, amelyeket véletlenszerű heteropolimereknek vagy RHP-knek nevezett, amelyek körbeveszik az enzimet, és finoman összetartják anélkül, hogy korlátoznák annak természetes rugalmasságát. Az RHP-k négyféle monomer alegységből állnak, amelyek mindegyike kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, amelyek kölcsönhatásba lépnek a specifikus enzim felületén lévő kémiai csoportokkal. Ultraibolya fényben lebomlanak, és a műanyag tömegének 1% — ánál kisebb koncentrációban vannak jelen-elég alacsony ahhoz, hogy ne jelentsen problémát.
a Nature folyóiratban közölt kutatáshoz Xu és csapata hasonló technikát alkalmazott, az enzimet RHP-kbe burkolva, és milliárd ilyen nanorészecskét beágyazva a műanyag gyantagyöngyökbe, amelyek az összes műanyaggyártás kiindulópontjai. Összehasonlítja ezt a folyamatot a pigmentek műanyagba történő beágyazásával, hogy színezzék őket. A kutatók kimutatták, hogy az RHP-vel borított enzimek nem változtatták meg a műanyag jellegét, amelyet 170 Celsius fok vagy 338 Fahrenheit fok körüli hőmérsékleten megolvaszthattak és rostokká extrudálhattak, mint a normál poliészter Műanyag.
PLA (politejsav) műanyag Fólia közvetlenül a komposztba helyezés után (balra) és egy hét után a komposztba (jobbra). Egy enzimmel beágyazva a PLA műanyag biológiailag lebomlik egyszerű molekulákká, így ígéretes, mint a nem lebomló műanyag jövőbeli alternatívája. (UC Berkeley fotó: Adam Lau / Berkeley Engineering)
a lebomlás kiváltásához csak vizet és kevés hőt kellett hozzáadni. Szobahőmérsékleten a módosított PLA rostok 80% – a teljesen lebomlott körülbelül egy héten belül. A lebomlás magasabb hőmérsékleten gyorsabb volt. Ipari komposztálási körülmények között a módosított PLA hat napon belül lebomlott 50 Celsius fokon (122 F). Egy másik poliészter Műanyag, a PCL (polikaprolakton), két nap alatt lebomlik ipari komposztálási körülmények között 40 Celsius fokon (104 F). A PLA esetében beágyazta a proteináz K nevű enzimet, amely a PLA-t tejsavmolekulákká rágja; a PCL-hez lipázt használt. Mindkettő olcsó és könnyen elérhető enzim.
“ha az enzim csak a műanyag felületén van, akkor csak nagyon lassan Marna le” – mondta Xu. “Azt akarod, hogy nanoszkóposan elosztva legyen mindenhol, hogy lényegében mindegyiknek csak meg kell ennie a polimer szomszédait, majd az egész anyag szétesik.”
Komposztálás
a gyors lebomlás jól működik a települési komposztálással, amely általában 60-90 napot vesz igénybe, hogy az élelmiszer-és növényi hulladék felhasználható komposzttá váljon. Az ipari komposztálás magas hőmérsékleten kevesebb időt vesz igénybe, de a módosított poliészterek ezen a hőmérsékleten is gyorsabban lebomlanak.
Ivan Jayapurna végzős hallgató PCL (polikaprolakton) mintafilmmel, egy új, biológiailag lebomló poliészter műanyaggal. A beágyazott enzimekkel rendelkező PCL mechanikai tulajdonságai nagyon hasonlóak az alacsony sűrűségű polietilénéhez, így ígéretes jövőbeli alternatívát jelent a nem biológiailag lebomló műanyagokkal szemben. (UC Berkeley fotó: Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu azt gyanítja, hogy a magasabb hőmérséklet miatt a beburkolt enzim jobban mozog, lehetővé téve, hogy gyorsabban megtalálja a polimer lánc végét, megrágja, majd továbblépjen a következő láncra. Az RHP-be csomagolt enzimek hajlamosak a polimer láncok végei közelében is megkötődni, az enzimeket a célpontjuk közelében tartva.
a módosított poliészterek nem bomlanak le alacsonyabb hőmérsékleten vagy rövid ideig tartó nedvesség alatt-mondta. Az ezzel a folyamattal készült poliészter ing például ellenállna az izzadságnak és a mosásnak mérsékelt hőmérsékleten. Három hónapig szobahőmérsékleten vízben történő áztatás nem okozta a műanyag lebomlását.
a langyos vízben való áztatás lebomláshoz vezet, amint azt ő és csapata bizonyította.
“kiderült, hogy a komposztálás nem elég — az emberek otthonukban akarnak komposztálni anélkül, hogy bepiszkolnák a kezüket, vízben akarnak komposztálni” – mondta. “Ez az, amit megpróbáltunk látni. Meleg csapvizet használtunk. Csak melegítse fel a megfelelő hőmérsékletre, majd tegye be, és néhány nap múlva látjuk, hogy eltűnik.”
Xu RHP-be csomagolt enzimeket fejleszt, amelyek képesek lebontani más típusú poliészter műanyagokat, de módosítja az RHPs-t is, hogy a lebomlás programozható legyen egy meghatározott ponton, és ne teljesen elpusztítsa az anyagot. Ez hasznos lehet, ha a műanyagot újraolvasztják és új műanyaggá alakítják.
a projektet részben a Védelmi Minisztérium hadsereg kutatási irodája támogatja, amely az Egyesült Államok hadseregének harci képességek fejlesztési Parancsnokságának hadsereg kutató Laboratóriumának eleme.
“ezek az eredmények alapot nyújtanak a polimer anyagok racionális tervezéséhez, amelyek viszonylag rövid idő alatt lebomlhatnak, ami jelentős előnyökkel járhat a hadsereg hulladékgazdálkodással kapcsolatos logisztikája számára” – mondta Stephanie McElhinny, Ph.D., A hadsereg kutatási irodájának programmenedzsere. “Tágabb értelemben ezek az eredmények betekintést nyújtanak az aktív biomolekulák szilárdtest anyagokba történő beépítésének stratégiáiba, amelyek hatással lehetnek a hadsereg számos jövőbeli képességére, beleértve az érzékelést, a fertőtlenítést és az öngyógyító anyagokat.”
PLA (politejsav) műanyag film, amely enzimmel van beágyazva, hogy gyorsan lebomoljon a szokásos komposztban. (UC Berkeley fotó: Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu azt mondta, hogy a programozott lebomlás lehet a kulcs sok tárgy újrahasznosításához. Képzelje el, hogy biológiailag lebomló ragasztót használ számítógépes áramkörök vagy akár teljes telefonok vagy elektronika összeszereléséhez, majd ha végzett velük, feloldja a ragasztót, hogy az eszközök szétesjenek, és az összes darab újra felhasználható legyen.
“jó, ha az ezredfordulók elgondolkodnak ezen, és olyan beszélgetést kezdenek, amely megváltoztatja a Földdel való kapcsolatunkat” – mondta Xu. “Nézd meg az összes elpazarolt dolgot, amit eldobunk: ruházat, cipő, elektronika, mint a mobiltelefonok és a számítógépek. Gyorsabban veszünk el dolgokat a földről, mint amennyit vissza tudunk adni. Ne menj vissza a földre az enyémhez ezekért az anyagokért, hanem az enyémhez, amid van, majd alakítsd át valami másra.”
a tanulmány társszerzői közé tartozik Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Jun pyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li és Robert Ritchie az UC Berkeley-ből; Corinne Scown a Berkeley laborból; és Thomas Russell az Amherst-i massachusettsi Egyetemen. A munkát elsősorban az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (de-AC02-05-CH11231) finanszírozta, a hadsereg kutatási hivatalának és az UC Berkeley Bakar Ösztöndíjprogramjának támogatásával.