Il nuovo processo rende la plastica “biodegradabile” veramente compostabile

Le materie plastiche biodegradabili sono state pubblicizzate come una soluzione al problema dell’inquinamento plastico che affligge il mondo, ma i sacchetti di plastica, gli utensili e i coperchi delle tazze “compostabili” di oggi non si rompono durante il compostaggio tipico e contaminano altre materie plastiche riciclabili, creando mal di testa per i riciclatori. La maggior parte delle materie plastiche compostabili, fatte principalmente di poliestere noto come acido polilattico, o PLA, finiscono in discarica e durano fino a quando per sempre le materie plastiche.

Università della California, Berkeley, gli scienziati hanno ora inventato un modo per rendere queste materie plastiche compostabili abbattere più facilmente, con solo calore e acqua, nel giro di poche settimane, risolvendo un problema che ha flummoxed l’industria delle materie plastiche e ambientalisti.

“Le persone sono ora pronte a passare a polimeri biodegradabili per materie plastiche monouso, ma se si scopre che crea più problemi di quanti ne valga la pena, allora la politica potrebbe tornare indietro”, ha detto Ting Xu, professore UC Berkeley di scienza dei materiali e ingegneria e di chimica. “Stiamo fondamentalmente dicendo che siamo sulla strada giusta. Possiamo risolvere questo problema continuo di plastica monouso non essendo biodegradabile.”

Xu è l’autore senior di un documento che descrive il processo che apparirà nel numero di questa settimana della rivista Nature.

La nuova tecnologia dovrebbe teoricamente essere applicabile ad altri tipi di plastica poliestere, forse consentendo la creazione di contenitori di plastica compostabili, che attualmente sono fatti di polietilene, un tipo di poliolefina che non si degrada. Xu pensa che le plastiche poliolefine siano meglio trasformate in prodotti di valore superiore, non in compost, e sta lavorando su modi per trasformare le plastiche poliolefine riciclate per il riutilizzo.

Il nuovo processo prevede l’incorporamento di enzimi che mangiano poliestere nella plastica così come è fatta. Questi enzimi sono protetti da un semplice involucro polimerico che impedisce all’enzima di districarsi e diventare inutile. Quando esposto al calore e all’acqua, l’enzima scrolla le spalle dal suo involucro polimerico e inizia a schiacciare il polimero plastico nei suoi blocchi di costruzione — nel caso del PLA, riducendolo ad acido lattico, che può alimentare i microbi del suolo nel compost. Anche l’involucro polimerico si degrada.

Il processo elimina le microplastiche, un sottoprodotto di molti processi di degradazione chimica e un inquinante a sé stante. Fino al 98% della plastica realizzata con la tecnica di Xu si degrada in piccole molecole.

Uno dei coautori dello studio, l’ex studente di dottorato UC Berkeley Aaron Hall, ha scorporato un’azienda per sviluppare ulteriormente queste plastiche biodegradabili.

Produzione di autodistruzione in plastica

Le materie plastiche sono progettate per non rompersi durante il normale utilizzo, ma ciò significa anche che non si rompono dopo essere state scartate. Le plastiche più resistenti hanno una struttura molecolare quasi cristallina, con fibre polimeriche allineate così strettamente che l’acqua non riesce a penetrarle, per non parlare dei microbi che potrebbero masticare i polimeri, che sono molecole organiche.

L’idea di Xu era di incorporare enzimi che mangiano polimeri su scala nanometrica direttamente in una plastica o altro materiale in un modo che li sequestra e li protegge fino a quando le giuste condizioni li scatenano. Nel 2018, ha mostrato come funziona in pratica. Lei e il suo team UC Berkeley incorporato in un tappetino di fibra un enzima che degrada sostanze chimiche organofosfato tossici, come quelli in insetticidi e agenti di guerra chimica. Quando il tappetino è stato immerso nella sostanza chimica, l’enzima incorporato ha rotto l’organofosfato.

La sua innovazione chiave era un modo per proteggere l’enzima dalla caduta a pezzi, che le proteine tipicamente fanno al di fuori del loro ambiente normale, come una cellula vivente. Ha progettato molecole che ha chiamato eteropolimeri casuali, o RHPs, che avvolgono l’enzima e lo tengono delicatamente insieme senza limitare la sua naturale flessibilità. Gli RHPS sono composti da quattro tipi di subunità monomeriche, ciascuna con proprietà chimiche progettate per interagire con gruppi chimici sulla superficie dell’enzima specifico. Si degradano sotto la luce ultravioletta e sono presenti ad una concentrazione inferiore all ‘ 1% del peso della plastica — abbastanza bassa da non essere un problema.

Per la ricerca riportata nel documento Nature, Xu e il suo team hanno utilizzato una tecnica simile, avvolgendo l’enzima in RHPS e incorporando miliardi di queste nanoparticelle in perle di resina plastica che sono il punto di partenza per tutta la produzione di plastica. Lei paragona questo processo per incorporare pigmenti in plastica per colorarli. I ricercatori hanno dimostrato che gli enzimi RHP-avvolto non ha cambiato il carattere della plastica, che potrebbe essere fuso ed estruso in fibre come plastica poliestere normale a temperature intorno 170 gradi Celsius, o 338 gradi Fahrenheit.

Per innescare il degrado, era necessario solo aggiungere acqua e un po ‘ di calore. A temperatura ambiente, l ‘ 80% delle fibre PLA modificate si è completamente degradato entro circa una settimana. La degradazione era più veloce a temperature più elevate. In condizioni di compostaggio industriale, il PLA modificato si è degradato entro sei giorni a 50 gradi Celsius (122 F). Un’altra plastica poliestere, PCL (polycaprolactone), degradata in due giorni in condizioni di compostaggio industriale a 40 gradi Celsius (104 F). Per il PLA, ha incorporato un enzima chiamato proteinasi K che mastica il PLA in molecole di acido lattico; per PCL, ha usato la lipasi. Entrambi sono enzimi poco costosi e facilmente disponibili.

“Se hai l’enzima solo sulla superficie della plastica, si inciderebbe molto lentamente”, ha detto Xu. “Lo vuoi distribuito nanoscopicamente ovunque in modo che, essenzialmente, ognuno di loro ha solo bisogno di mangiare via i loro vicini polimerici, e quindi l’intero materiale si disintegra.”

Compostaggio

La rapida degradazione funziona bene con il compostaggio comunale, che in genere richiede da 60 a 90 giorni per trasformare i rifiuti alimentari e vegetali in compost utilizzabile. Il compostaggio industriale ad alte temperature richiede meno tempo, ma anche i poliesteri modificati si rompono più velocemente a queste temperature.

Xu sospetta che temperature più elevate facciano muovere di più l’enzima avvolto, permettendogli di trovare più rapidamente l’estremità di una catena polimerica e masticarla per poi passare alla catena successiva. Gli enzimi RHP avvolti tendono anche a legarsi vicino alle estremità delle catene polimeriche, mantenendo gli enzimi vicino ai loro obiettivi.

I poliesteri modificati non si degradano a temperature più basse o durante brevi periodi di umidità, ha detto. Una camicia in poliestere realizzata con questo processo resisterebbe al sudore e al lavaggio a temperature moderate, ad esempio. L’immersione in acqua per tre mesi a temperatura ambiente non ha causato il degrado della plastica.

Immergere in acqua tiepida porta al degrado, come lei e il suo team hanno dimostrato.

“Si scopre che il compostaggio non è sufficiente — le persone vogliono compost nella loro casa senza sporcarsi le mani, vogliono compost in acqua”, ha detto. “Quindi, questo è quello che abbiamo cercato di vedere. Abbiamo usato acqua calda del rubinetto. Basta riscaldarlo fino alla giusta temperatura, poi metterlo in, e vediamo in pochi giorni scompare.”

Xu sta sviluppando enzimi avvolti in RHP che possono degradare altri tipi di plastica poliestere, ma sta anche modificando l’RHPs in modo che la degradazione possa essere programmata per fermarsi in un punto specificato e non distruggere completamente il materiale. Questo potrebbe essere utile se la plastica dovesse essere rifusa e trasformata in nuova plastica.

Il progetto è in parte supportato dall’Ufficio di ricerca dell’Esercito del Dipartimento della Difesa, un elemento del Laboratorio di ricerca dell’esercito dell’Esercito degli Stati Uniti.

“Questi risultati forniscono una base per la progettazione razionale di materiali polimerici che potrebbero degradarsi in tempi relativamente brevi, il che potrebbe fornire vantaggi significativi per la logistica dell’esercito relativa alla gestione dei rifiuti”, ha affermato Stephanie McElhinny, Ph. D., Program manager dell’Ufficio ricerche dell’esercito. “Più in generale, questi risultati forniscono informazioni sulle strategie per l’incorporazione di biomolecole attive in materiali allo stato solido, che potrebbero avere implicazioni per una varietà di future capacità dell’esercito, tra cui materiali di rilevamento, decontaminazione e auto-guarigione.”

Xu ha detto che il degrado programmato potrebbe essere la chiave per riciclare molti oggetti. Immaginate, ha detto, utilizzando colla biodegradabile per assemblare circuiti di computer o anche interi telefoni o elettronica, poi, quando hai finito con loro, sciogliendo la colla in modo che i dispositivi cadono a pezzi e tutti i pezzi possono essere riutilizzati.

“È bene per i millennial pensare a questo e iniziare una conversazione che cambierà il modo in cui ci interfacciamo con la Terra”, ha detto Xu. “Guarda tutte le cose sprecate che buttiamo via: abbigliamento, scarpe, elettronica come cellulari e computer. Stiamo prendendo le cose dalla terra ad un ritmo più veloce di quanto possiamo restituirle. Non tornare sulla Terra per estrarre questi materiali, ma estrai quello che hai, e poi convertilo in qualcos’altro.”

Co-autori dello studio includono Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li e Robert Ritchie di UC Berkeley; Corinne Scown di Berkeley Lab; e Thomas Russell dell’Università del Massachusetts ad Amherst. Il lavoro è stato finanziato principalmente dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DE-AC02-05-CH11231), con l’assistenza dell’Ufficio di ricerca dell’esercito e del programma Bakar Fellowship dell’UC Berkeley.