Ny prosess gjør ‘biologisk nedbrytbar’ plast virkelig komposterbar

Biologisk Nedbrytbar plast har blitt annonsert som en løsning på plastforurensningsproblemet som ødelegger verden, men dagens» komposterbare » plastposer, redskaper og kopplokk bryter ikke ned under typisk kompostering og forurenser annen resirkulerbar plast, noe som skaper hodepine for resirkulerere. De fleste komposterbare plast, laget hovedsakelig av polyester kjent som polymelkesyre, ELLER PLA, ender opp i deponier og varer så lenge som for alltid plast.

University Of California, Berkeley, forskere har nå oppfunnet en måte å få disse komposterbare plastene til å bryte ned lettere, med bare varme og vann, innen få uker, å løse et problem som har flummoxed plastindustrien og miljøvernere.

» Folk er nå forberedt på å flytte inn i bionedbrytbare polymerer for engangsplast, men hvis Det viser seg at det skaper flere problemer enn det er verdt, kan politikken gå tilbake, » sa Ting Xu, Uc Berkeley professor i materialvitenskap og ingeniørfag og kjemi. «Vi sier i utgangspunktet at vi er på rett spor. Vi kan løse dette vedvarende problemet med engangsplast som ikke er biologisk nedbrytbart.»

Xu er seniorforfatter av et papir som beskriver prosessen som vil vises i denne ukens utgave Av tidsskriftet Nature.

den nye teknologien skal teoretisk sett være anvendelig for andre typer polyesterplast, kanskje slik at det kan opprettes komposterbare plastbeholdere, som for tiden er laget av polyetylen, en type polyolefin som ikke nedbrytes. Xu mener at polyolefin plast er best omgjort til høyere verdi produkter, ikke kompost, og arbeider med måter å transformere resirkulert polyolefin plast for gjenbruk.

den nye prosessen innebærer å legge inn polyester-spise enzymer i plasten som den er laget. Disse enzymene er beskyttet av en enkel polymerinnpakning som forhindrer enzymet i å løsne seg og bli ubrukelig. Når de utsettes for varme og vann, enzymet trekker av sin polymer shroud og begynner chomping plast polymer i sine byggesteiner – I TILFELLE AV PLA, redusere den til melkesyre, som kan mate jord mikrober i kompost. Polymerinnpakningen nedbrytes også.

prosessen eliminerer mikroplast, et biprodukt av mange kjemiske nedbrytningsprosesser og et forurensende stoff i seg selv. Opptil 98% av plasten laget Ved Hjelp Av xus teknikk nedbrytes til små molekyler.

en av studiens medforfattere, tidligere UC Berkeley doktorgradsstudent Aaron Hall, har spunnet av et selskap for å videreutvikle disse bionedbrytbare plastene.

Å lage selvdestruksjon av plast

Plast er designet for ikke å bryte ned under normal bruk, men det betyr også at De ikke bryter ned etter at de er kassert. Den mest holdbare plasten har en nesten krystalllignende molekylstruktur, med polymerfibre justert så tett at vann ikke kan trenge inn i dem, enn si mikrober som kan tygge opp polymerene, som er organiske molekyler.

Xus ide var å legge inn nanoskala polymer-spise enzymer direkte i plast eller annet materiale på en måte som sekvesterer og beskytter dem til de rette forholdene frigjør dem. I 2018 viste hun hvordan dette fungerer i praksis. Hun og HENNES Uc Berkeley-team innebygd i en fibermatte et enzym som nedbryter giftige organofosfatkjemikalier, som de i insektmidler og kjemiske krigsmidler. Når matten ble nedsenket i kjemikaliet, brøt det innebygde enzymet ned organofosfatet.

hennes nøkkelinnovasjon var en måte Å beskytte enzymet mot å falle fra hverandre, som proteiner vanligvis gjør utenfor sitt normale miljø, for eksempel en levende celle. Hun designet molekyler hun kalte tilfeldige heteropolymerer, Eller RHPs, som vikler seg rundt enzymet og forsiktig holder det sammen uten å begrense sin naturlige fleksibilitet. RHPs består av fire typer monomerunderenheter, hver med kjemiske egenskaper designet for å samhandle med kjemiske grupper på overflaten av det spesifikke enzymet. De nedbrytes under ultrafiolett lys og er tilstede i en konsentrasjon på mindre enn 1% av plastens vekt-lav nok til ikke å være et problem.

For forskningen som er rapportert I Nature-papiret, brukte Xu og hennes team en lignende teknikk, innhyllet enzymet i RHPs og innebygget milliarder av disse nanopartiklene gjennom plastharpiksperler som er utgangspunktet for all plastproduksjon. Hun sammenligner denne prosessen med å legge inn pigmenter i plast for å farge dem. Forskerne viste AT RHP-innhyllede enzymer ikke endret plastens karakter, som kunne smeltes og ekstruderes til fibre som vanlig polyesterplast ved temperaturer rundt 170 grader Celsius, eller 338 grader Fahrenheit.

for å utløse nedbrytning var det bare nødvendig å legge til vann og litt varme. Ved romtemperatur degraderes 80% av DE modifiserte PLA-fibrene helt innen omtrent en uke. Nedbrytning var raskere ved høyere temperaturer. Under industrielle komposteringsforhold degraderes den modifiserte PLA innen seks dager ved 50 grader Celsius (122 F). En annen polyesterplast, PCL (polykaprolakton), degradert i to dager under industrielle komposteringsforhold ved 40 grader Celsius (104 F). FOR PLA innebygd hun et enzym kalt proteinase K som tygger PLA opp i molekyler av melkesyre; FOR PCL brukte hun lipase. Begge er billige og lett tilgjengelige enzymer.

» hvis du bare har enzymet på overflaten av plasten, vil Det bare etse ned veldig sakte, » Sa Xu. «Du vil at den distribueres nanoskopisk overalt, slik at hver av dem i hovedsak bare trenger å spise bort sine polymer naboer, og så løsner hele materialet.»

Kompostering

den raske nedbrytningen fungerer godt med kommunal kompostering, som vanligvis tar 60 til 90 dager å omdanne mat og planteavfall til brukbar kompost. Industriell kompostering ved høye temperaturer tar mindre tid, men de modifiserte polyesterene bryter også ned raskere ved disse temperaturene.

Xu mistenker at høyere temperaturer gjør at det innhyllede enzymet beveger seg mer, slik at det raskere kan finne enden av en polymerkjede og tygge den opp og deretter gå videre til neste kjede. RHP-innpakket enzymer har også en tendens til å binde seg nær endene av polymerkjeder, og holder enzymene nær deres mål.

de modifiserte polyesterene nedbrytes ikke ved lavere temperaturer eller i korte perioder med fuktighet, sa hun. En polyesterskjorte laget med denne prosessen ville tåle svette og vask ved moderate temperaturer, for eksempel. Soaking i vann i tre måneder ved romtemperatur forårsaket ikke at plasten nedbrytes.

Soaking i lunkent vann fører til nedbrytning, som hun og hennes team demonstrerte.

«det viser seg at kompostering ikke er nok — folk vil kompostere i hjemmet uten å få hendene skitne, de vil kompostere i vann,» sa hun. «Det var det vi prøvde å se. Vi brukte varmt vann fra springen. Bare varm det opp til riktig temperatur, sett det inn, og vi ser om noen dager det forsvinner.»

Xu utvikler RHP-innpakket enzymer som kan nedbryte andre typer polyesterplast, men hun endrer Også RHPs slik at nedbrytningen kan programmeres til å stoppe på et bestemt punkt og ikke helt ødelegge materialet. Dette kan være nyttig hvis plasten skal omsmeltes og omdannes til ny plast.

prosjektet er delvis støttet Av Forsvarsdepartementets Army Research Office, et element i US Army Combat Capabilities Development Commands Army Research Laboratory.

» disse resultatene gir et grunnlag for rasjonell design av polymere materialer som kan nedbrytes over relativt korte tidsrammer, noe som kan gi betydelige fordeler For Hærlogistikk relatert til avfallshåndtering,» sa Stephanie McElhinny, Ph. D., programleder med Hærforskningskontoret. «Mer generelt gir disse resultatene innsikt i strategier for inkorporering av aktive biomolekyler i solid state-materialer, noe som kan ha implikasjoner for en rekke fremtidige Hærkapasiteter, inkludert sensing, dekontaminering og selvhelbredende materialer.»

Xu sa at programmert nedbrytning kan være nøkkelen til resirkulering av mange objekter. Tenk deg, sa hun, ved hjelp av biologisk nedbrytbart lim for å montere datakretser eller til og med hele telefoner eller elektronikk, da, når du er ferdig med dem, løser limet slik at enhetene faller fra hverandre og alle brikkene kan gjenbrukes.

» det er bra for tusenårene å tenke på dette og starte en samtale som vil endre måten vi samhandler med Jorden, » Sa Xu. «Se på alle de bortkastede tingene vi kaster bort: klær, sko, elektronikk som mobiltelefoner og datamaskiner. Vi tar ting fra jorden raskere enn vi kan returnere dem. Ikke gå Tilbake Til Jorden for å min for disse materialene, men min hva du har, og konverter det til noe annet.»

Medforfattere av papiret inkluderer Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li Og Robert Ritchie FRA Uc Berkeley; Corinne Scown fra Berkeley Lab; Og Thomas Russell fra University Of Massachusetts I Amherst. Arbeidet ble finansiert hovedsakelig AV Us Department Of Energy (DE-AC02-05-CH11231), med hjelp Fra Army Research Office og Uc Berkeleys Bakar Fellowship program.