변형 된 플라스틱(왼쪽)은 표준 퇴비에서 불과 3 일 후에(오른쪽)완전히 2 주 후에 분해됩니다. (팅 쑤 버클리 사진)
생분해 성 플라스틱은 세계를 위협하는 플라스틱 오염 문제에 대한 하나의 해결책으로 광고되었지만 오늘날의”퇴비화 가능한”비닐 봉지,기구 및 컵 뚜껑은 일반적인 퇴비화 중에 분해되지 않고 다른 재활용 플라스틱을 오염시켜 재활용업자에게 두통을 유발합니다. 주로 폴리 락트산으로 알려진 폴리 에스테르로 만들어진 대부분의 퇴비화 가능한 플라스틱은 매립지에서 끝나고 영원히 플라스틱만큼 오래 지속됩니다.
캘리포니아 버클리 대학교의 과학자들은 몇 주 안에 열과 물만으로 이러한 퇴비화 가능한 플라스틱을 더 쉽게 분해 할 수있는 방법을 발명하여 플라스틱 산업과 환경 주의자들을 혼란스럽게 만든 문제를 해결했습니다.
“사람들은 이제 일회용 플라스틱 용 생분해 성 폴리머로 이동할 준비가되어 있지만,그것이 가치보다 더 많은 문제를 야기한다는 것이 밝혀지면 정책은 되돌릴 수 있습니다.” “우리는 기본적으로 우리가 올바른 길을 가고 있다고 말하고 있습니다. 우리는 생분해되지 않는 일회용 플라스틱의 지속적인 문제를 해결할 수 있습니다.”
쑤 저널 자연의 이번 주 문제에 나타납니다 과정을 설명하는 논문의 수석 저자이다.
이 새로운 기술은 이론적으로 다른 유형의 폴리 에스테르 플라스틱에 적용 할 수 있어야하며,아마도 퇴비화 가능한 플라스틱 용기를 만들 수 있어야합니다.이 용기는 현재 분해되지 않는 폴리올레핀의 한 종류 인 폴리에틸렌으로 만들어졌습니다. 쑤는 폴리올레핀 플라스틱이 퇴비가 아닌 고 부가가치 제품으로 가장 잘 전환되고 있으며 재활용 폴리올레핀 플라스틱을 재사용 할 수있는 방법을 연구하고 있다고 생각합니다.
용융 압출 플라스틱 필라멘트(왼쪽)는 따뜻한 물 속에서 36 시간 이내에 거의 완전히 작은 분자로 분해 된 효소 리파아제의 내장 나노 클러스터를 사용합니다 물. (크리스토퍼 델레 사진)
이 만든 것 같은 새로운 과정은 플라스틱에 폴리 에스테르 먹는 효소를 포함 포함한다. 이 효소는 효소가 엉키지 않고 쓸모 없게하는 것을 방지하는 간단한 폴리머 포장으로 보호됩니다. 열 및 물 노출되면,효소는 폴리머 덮개를 어깨를 으쓱 및 퇴비 토양 미생물을 공급할 수 젖산으로 감소,그 빌딩 블록—에서 인민 해방군의 경우에 플라스틱 폴리머를 받기를 갈망 시작합니다. 중합체 포장은 또한 저하된다.
이 공정은 많은 화학적 분해 공정의 부산물이자 그 자체로 오염 물질 인 마이크로 플라스틱을 제거합니다. 쑤의 기술을 사용하여 만든 플라스틱의 최대 98%가 작은 분자로 분해됩니다.
이 연구의 공동 저자 중 한 명인 전 버클리 박사 과정 학생 아론 홀은 이러한 생분해 성 플라스틱을 더욱 개발하기 위해 회사를 분사했습니다.
만들기 플라스틱 자폭
플라스틱은 정상적인 사용 중에는 분해되지 않도록 설계되었지만,이는 폐기 후에도 분해되지 않는다는 것을 의미합니다. 가장 내구성이 강한 플라스틱은 거의 결정과 같은 분자 구조를 가지고 있습니다.고분자 섬유가 너무 단단히 정렬되어 물이 물 속에 침투 할 수 없으며 유기 분자 인 고분자를 씹을 수있는 미생물은 말할 것도 없습니다.
리파아제(녹색 공)와 같은 효소는 표면에서 플라스틱 폴리머를 분해 할 수 있지만(왼쪽 위),폴리머를 무작위로 잘라내어 마이크로 플라스틱을 남겨 둡니다(오른쪽 위). 버클리 그룹은 임의의 헤테로 폴리머(컬러 볼 체인)에 의해 보호되는 플라스틱(왼쪽 아래)전체에 효소 나노 클러스터를 내장했습니다. 끼워넣어진 효소는 중합체 사슬의 끝의 가까이에 고정되고,열과 습기의 적당한 조건 하에서,사슬 끝에서 중합체 분자를 1 차적으로 타락합니다. 이 기술은 사용 중에 플라스틱의 무결성을 유지하지만 사용자가 해중합 반응을 일으킬 때 플라스틱은 재활용 가능한 작은 분자 부산물로 이어집니다. (크리스토퍼 델레 그래픽)
쑤의 아이디어는 격리하고 적절한 조건이 그들을 발휘 할 때까지 그들을 보호하는 방법으로 플라스틱 또는 기타 물질에 직접 나노 폴리머 먹는 효소를 포함하는 것이 었습니다. 2018 년에 그녀는 이것이 실제로 어떻게 작동하는지 보여주었습니다. 그녀와 그녀의 버클리 팀은 살충제 및 화학 전쟁 에이전트와 같은 독성 유기 인산염 화학 물질을 분해하는 효소를 섬유 매트에 내장했습니다. 매트가 화학 물질에 침지되었을 때,내장 된 효소는 유기 인산염을 분해.
그녀의 주요 혁신은 단백질이 일반적으로 살아있는 세포와 같은 정상적인 환경 밖에서 수행하는 효소가 붕괴되는 것을 보호하는 방법이었습니다. 그녀는 그녀가 임의의 헤테로 중합체라고 불리는 분자를 설계했습니다. 이 단량체는 4 가지 유형의 단량체 서브 유닛으로 구성되며,각각은 특정 효소 표면의 화학 그룹과 상호 작용하도록 설계된 화학적 특성을 가지고 있습니다. 그들은 자외선의 밑에 타락하고 플라스틱의 무게의 1%미만의 농도에 출석한다—충분히 낮은것 문제 이지 않기 위하여.
네이처 페이퍼에서 보고된 연구를 위해,쑤와 그녀의 팀은 비슷한 기술을 사용하여 모든 플라스틱 제조의 출발점이 되는 플라스틱 수지 비드에 이러한 나노 입자를 수십억개 삽입했다. 그녀는 그(것)들을 착색하기 위하여 플라스틱에 있는 안료를 끼워넣기에 이 과정을 비교합니다. 연구진은 산화 피막 효소가 플라스틱의 특성을 변화시키지 않았 음을 보여 주었고,이는 섭씨 170 도 또는 화씨 338 도의 온도에서 일반 폴리 에스테르 플라스틱과 같은 섬유로 녹아서 압출 될 수 있습니다.
플라(폴리 락트산)플라스틱 필름을 퇴비에 넣은 직후(왼쪽),퇴비에 1 주일 후(오른쪽). 효소와 함께 내장,인민 해방군 플라스틱은 비 분해 플라스틱에 대한 미래의 대안으로 유망하고,간단한 분자에 생분해 할 수 있습니다. (버클리 사진:아담 라우/버클리 엔지니어링)
열화를 유발하기 위해,단지 물 및 약간의 열을 추가 할 필요가 있었다. 실온에서,변형된 폴리프로필렌 섬유의 80%가 약 1 주일 이내에 완전히 분해되었다. 열화는 더 높은 온도에서 더 빨랐다. 산업 퇴비화 조건 하에서,개질 된 폴리아는 섭씨 50 도(122 도)에서 6 일 이내에 분해되었다. 또 다른 폴리 에스테르 플라스틱 인 폴리 카프로 락톤은 섭씨 40 도(104 도)의 산업 퇴비화 조건에서 이틀 만에 분해되었습니다. 폴리프로필렌을 위해,그녀는 락트산의 분자로 폴리프로필렌을 씹는 단백질 분해 효소 케이라는 효소를 내장했습니다. 둘 다 저렴하고 쉽게 사용할 수있는 효소입니다.
“효소가 플라스틱 표면에만 있으면 매우 천천히 식각 할 것”이라고 쑤는 말했다. “당신은 본질적으로,그들 각각은 단지 자신의 폴리머 이웃을 멀리 먹을 필요가 있도록 사방에 나노 분산 한 다음 전체 물질이 붕괴 할 수 있습니다.”
퇴비화
빠른 퇴비는 음식과 식물 폐기물을 사용 가능한 퇴비로 바꾸는 데 일반적으로 60~90 일이 걸리는 도시 퇴비와 잘 작동합니다. 고온에서의 산업 퇴비화는 시간이 덜 걸리지 만,변형 된 폴리 에스테르는 또한 이러한 온도에서 더 빨리 분해됩니다.
대학원생 이반 자야푸르나는 새로운 생분해 성 폴리 에스테르 플라스틱 인 폴리 카프로 락톤 샘플 필름을 가지고 있습니다. 저밀도 폴리에틸렌과 매우 유사한 기계적 성질을 가지고 있어,생분해성이 없는 플라스틱에 대한 미래의 유망한 대안입니다. (버클리 사진:아담 라우/버클리 엔지니어링)
쑤 더 높은 온도가 더 빨리 폴리머 체인의 끝을 찾아 그것을 씹어 다음 체인으로 이동 할 수 있도록 안치 효소가 더 주위에 이동하게 의심. 이 효소는 또한 폴리머 사슬의 끝 부분에 결합하여 효소를 표적 근처에 유지하는 경향이 있습니다.
변형 된 폴리 에스테르는 저온 또는 짧은 습기 기간 동안 분해되지 않는다고 그녀는 말했다. 이 과정으로 만든 폴리 에스테르 셔츠는 예를 들어 적당한 온도에서 땀과 세탁을 견딜 수 있습니다. 실온에서 3 개월 동안 물 속에 담그면 플라스틱이 분해되지 않습니다.
미지근한 물 속에 몸을 담그면 그녀와 그녀의 팀이 보여준 것처럼 열화가 발생합니다.
“퇴비화만으로는 충분하지 않다는 것이 밝혀졌습니다—사람들은 손을 더럽 히지 않고 집에서 퇴비를 만들고 싶어하고 물 속에서 퇴비를 만들고 싶어합니다.” “그래서,우리가 보려고했던 것입니다. 우리는 따뜻한 물기를 사용했습니다. 다만 적당한 온도에 그것을 데우고,그 후에 그것을 안으로 두십시오,우리는 며칠에서 사라집니다 봅니다.”
슈는 다른 유형의 폴리에스테르 플라스틱을 분해할 수 있는 산화피막포장 효소를 개발하고 있지만,또한 산화피막포장 효소를 수정하여 특정 지점에서 분해가 멈추고 물질을 완전히 파괴하지 않도록 프로그래밍하고 있다. 이 기능은 플라스틱을 다시 녹여 새 플라스틱으로 바꾸는 경우에 유용할 수 있습니다.
이 프로젝트는 미 육군 전투 능력 개발 사령부의 육군 연구소의 요소 인 국방부의 육군 연구 사무소에서 부분적으로 지원됩니다.
“이러한 결과는 상대적으로 짧은 시간 척도에 걸쳐 저하 될 수있는 고분자 재료의 합리적인 설계를위한 기반을 제공하며,이는 폐기물 관리와 관련된 육군 물류에 상당한 이점을 제공 할 수있다”고 스테파니 맥 엘리 니 박사,육군 연구 사무소의 프로그램 관리자는 말했다. “더 광범위 하 게,이러한 결과 감지,오염 제거 및 자가 치유 재료를 포함 하 여 다양 한 미래의 군대 기능에 대 한 영향을 미칠 수 있는 고체 물질로 활성 생체 분자의 통합에 대 한 전략에 대 한 통찰력을 제공 합니다.”
의 원형 조각을 들고 푸른 장갑을 낀 손 플라(폴리 락트산)플라스틱의 필름은 일반 퇴비에 신속하게 생분해 할 수 있도록 효소가 내장되어 있습니다. (버클리 사진:아담 라우/버클리 엔지니어링)
쑤는 프로그램 된 분해가 많은 물체를 재활용하는 열쇠가 될 수 있다고 말했다. 상상,그녀는 말했다,컴퓨터 회로 또는 전체 전화 또는 전자 제품을 조립하는 생분해 성 접착제를 사용하여,다음,당신이 그들과 함께 완료되면,장치가 붕괴하고 모든 조각을 재사용 할 수 있도록 접착제를 용해.
“밀레니엄 세대가 이것에 대해 생각하고 우리가 지구와 인터페이스하는 방식을 바꿀 대화를 시작하는 것이 좋다”고 쑤는 말했다. “우리가 버리는 모든 낭비 된 물건을 봐라.: 의류,신발,휴대폰 및 컴퓨터와 같은 전자 제품. 우리는 우리가 그들을 반환 할 수있는 것보다 빠른 속도로 지구에서 물건을 복용하고 있습니다. 이 재료들을 얻기 위해 지구로 돌아 가지 말고,당신이 가진 것을 채굴 한 다음 그것을 다른 것으로 변환하십시오.”
이 논문의 공동 저자로는 크리스토퍼 델레,장유펑,강필준,권준표,아론 홀,이반 자야푸르나,지위안 루안,르마,카일 졸킨,팀 리,로버트 리치,버클리 연구소의 코린 스카운,애머스트 매사추세츠 대학의 토마스 러셀이 있습니다. 이 작업은 주로 미국 에너지 부(육군 연구실 및 버클리 대학교 바카르 펠로우십 프로그램의 도움을 받아 지원되었습니다.