een gemodificeerde kunststof (links) breekt na slechts drie dagen in standaard compost (rechts) en volledig na twee weken af. (UC Berkeley foto genomen door Ting Xu)
biologisch afbreekbare kunststoffen zijn geadverteerd als een oplossing voor het plastic vervuilingsprobleem dat de wereld teistert, maar de huidige “composteerbare” plastic zakken, gebruiksvoorwerpen en bekerdeksels breken niet af tijdens typische compostering en besmetten andere recyclebare kunststoffen, waardoor recyclers hoofdpijn krijgen. De meeste composteerbare kunststoffen, voornamelijk gemaakt van polyester bekend als polylactic acid, of PLA, eindigen op stortplaatsen en duren zo lang als voor altijd kunststoffen.
Universiteit van Californië, Berkeley, wetenschappers hebben nu een manier uitgevonden om deze composteerbare kunststoffen binnen enkele weken gemakkelijker af te breken, met alleen warmte en water, om een probleem op te lossen dat de kunststofindustrie en milieuactivisten in de war heeft gebracht.
” mensen zijn nu bereid om te verhuizen naar biologisch afbreekbare polymeren voor plastic voor eenmalig gebruik, maar als blijkt dat het meer problemen oplevert dan het waard is, dan kan het beleid terugkeren,” zei Ting Xu, UC Berkeley professor of materials science and engineering and of chemistry. “We zeggen eigenlijk dat we op de goede weg zijn. We kunnen het probleem oplossen dat kunststoffen voor eenmalig gebruik niet biologisch afbreekbaar zijn.”
Xu is de hoofdauteur van een paper waarin het proces wordt beschreven dat deze week in het tijdschrift Nature zal verschijnen.
de nieuwe technologie zou theoretisch van toepassing moeten zijn op andere soorten polyesterplastics, waarbij het mogelijk zou kunnen zijn composteerbare plastic containers te maken, die momenteel gemaakt zijn van polyethyleen, een type polyolefine dat niet afbreekt. Xu denkt dat polyolefine plastics het beste kunnen worden omgezet in producten met een hogere waarde, niet in compost, en werkt aan manieren om gerecycleerde polyolefine plastics te transformeren voor hergebruik.
een smeltgeëxtrudeerde PCL (polycaprolacton) plastic filament (links) met ingebedde nanoclusters van het enzymlipase omhuld met RHP die binnen 36 uur in warm water bijna volledig wordt afgebroken tot kleine moleculen. (Foto ‘ s door Christopher DelRe)
het nieuwe proces omvat het inbedden van polyester-etende enzymen in het plastic zoals het is gemaakt. Deze enzymen worden beschermd door een eenvoudige polymeerverpakking die voorkomt dat het enzym ontwarren en nutteloos wordt. Bij blootstelling aan warmte en water haalt het enzym zijn polymeerdeksel af en begint het plastic polymeer in zijn bouwstenen te kauwen — in het geval van PLA, waardoor het wordt gereduceerd tot melkzuur, dat de bodemmicroben in compost kan voeden. De polymeerverpakking degradeert ook.
het proces elimineert microplastics, een bijproduct van vele chemische afbraakprocessen en een verontreinigende stof op zich. Tot 98% van het plastic gemaakt met behulp van Xu ‘ s techniek degradeert tot kleine moleculen.
een van de coauteurs van de studie, voormalig UC Berkeley doctoral student Aaron Hall, heeft een bedrijf opgericht om deze biologisch afbreekbare kunststoffen verder te ontwikkelen.
zelfdestructie van kunststof
kunststoffen zijn ontworpen om niet af te breken bij normaal gebruik, maar dat betekent ook dat ze niet afbreken nadat ze zijn weggegooid. De meest duurzame kunststoffen hebben een bijna kristalachtige moleculaire structuur, met polymeervezels die zo strak uitgelijnd zijn dat water ze niet kan binnendringen, laat staan microben die de polymeren kunnen opkauwen, organische moleculen.
enzymen zoals lipase (groene ballen) kunnen kunststofpolymeren van het oppervlak afbreken (linksboven), maar ze snijden het polymeer willekeurig in stukken, waardoor microplastics achterblijven (rechtsboven). Een UC Berkeley groep ingebed enzym nanoclusters door het plastic (linksonder), beschermd door willekeurige heteropolymeren (ketens van gekleurde ballen). De ingebedde enzymen worden tegen het einde van de polymeerketens geïmmobiliseerd en, onder de juiste omstandigheden van warmte en vocht, degraderen polymeermoleculen voornamelijk van het ketenuiteinde. Deze techniek behoudt de integriteit van het plastic tijdens gebruik, maar wanneer de gebruiker depolymerisatie activeert, gaat het plastic helemaal naar recyclebare bijproducten van kleine moleculen. (Grafiek door Christopher DelRe)
Xu ‘ s idee was om nanoschaal polymeer-etende enzymen direct in een plastic of ander materiaal in te bedden op een manier die ze afschermt en beschermt tot de juiste omstandigheden ze loslaten. In 2018 liet ze zien hoe dit in de praktijk werkt. Zij en haar UC Berkeley-team hebben in een vezelmat een enzym ingebed dat giftige organische fosfaatchemicaliën afbreekt, zoals die in insecticiden en chemische oorlogsvoering. Toen de mat werd ondergedompeld in de chemische stof, brak het ingebed enzym het organofosfaat af.Haar belangrijkste innovatie was een manier om het enzym te beschermen tegen uit elkaar vallen, wat eiwitten meestal doen buiten hun normale omgeving, zoals een levende cel. Ze ontwierp moleculen die ze willekeurige heteropolymeren noemde, of RHPs, die rond het enzym wikkelen en het zachtjes bij elkaar houden zonder de natuurlijke flexibiliteit te beperken. RHPs zijn samengesteld uit vier types van monomeersubeenheden, elk met chemische die eigenschappen worden ontworpen om met chemische groepen op de oppervlakte van het specifieke enzym in wisselwerking te staan. Ze degraderen onder ultraviolet licht en zijn aanwezig bij een concentratie van minder dan 1% van het gewicht van het plastic — laag genoeg om geen probleem te zijn.
voor het onderzoek dat werd gerapporteerd in de Nature paper, gebruikten Xu en haar team een soortgelijke techniek, waarbij het enzym werd omhuld in RHP ‘ s en miljarden van deze nanodeeltjes werden ingebed in plastic harskralen die het uitgangspunt zijn voor alle plastic productie. Ze vergelijkt dit proces met het inbedden van pigmenten in plastic om ze te kleuren. De onderzoekers toonden aan dat de RHP-gehulde enzymen het karakter van het plastic niet veranderden, dat kon worden gesmolten en geëxtrudeerd tot vezels zoals normaal polyester plastic bij temperaturen rond 170 graden Celsius, of 338 graden Fahrenheit.
een film van PLA (polylactic acid) – kunststof onmiddellijk na het plaatsen in compost (links) en na een week in compost (rechts). Ingebed in een enzym kan het PLA-plastic biologisch afbreken tot eenvoudige moleculen, waardoor het veelbelovend is als een toekomstig alternatief voor een niet-afbreekbaar plastic. (UC Berkeley foto genomen door Adam Lau / Berkeley Engineering)
om degradatie te activeren, was het alleen nodig om water en een beetje warmte toe te voegen. Bij kamertemperatuur is 80% van de gemodificeerde pla-vezels binnen ongeveer een week volledig afgebroken. Degradatie was sneller bij hogere temperaturen. Onder industriële composteeromstandigheden is het gemodificeerde PLA binnen zes dagen afgebroken bij 50 graden Celsius (122 F). Een ander polyester plastic, PCL (polycaprolactone), afgebroken in twee dagen onder industriële compostering omstandigheden bij 40 graden Celsius (104 F). Voor PLA, ze ingebedde een enzym genaamd proteinase K dat pla kauwt tot moleculen van melkzuur; voor PCL, gebruikte ze lipase. Beide zijn goedkoop en gemakkelijk beschikbaar enzymen.
” als je het enzym alleen op het oppervlak van de plastic, het zou gewoon heel langzaam naar beneden etsen,” Xu zei. “Je wilt dat het nanoscopisch overal wordt verspreid, zodat ze in wezen allemaal hun polymeerburen moeten opeten, en dan valt het hele materiaal uiteen.”
compostering
de snelle afbraak werkt goed met gemeentelijke compostering, die doorgaans 60 tot 90 dagen duurt om voedsel en plantaardig afval om te zetten in bruikbare compost. Industriële compostering bij hoge temperaturen kost minder tijd, maar de gemodificeerde polyesters breken ook sneller af bij deze temperaturen.
afgestudeerde student Ivan Jayapurna vast met een monsterfilm van PCL (polycaprolacton), een nieuwe, biologisch afbreekbare polyester Kunststof. PCL met ingebedde enzymen heeft mechanische eigenschappen die sterk lijken op die van polyethyleen met lage dichtheid, waardoor het een veelbelovend toekomstig alternatief is voor niet-biologisch afbreekbare kunststoffen. (UC Berkeley foto genomen door Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu vermoedt dat hogere temperaturen het omhulde enzym meer laten bewegen, waardoor het sneller het einde van een polymeerketting kan vinden en het kan kauwen en vervolgens naar de volgende keten kan gaan. De RHP-verpakte enzymen hebben ook de neiging om dichtbij de einden van polymeerketens te binden, die de enzymen dichtbij hun doelstellingen houden.
de gemodificeerde polyesters breken niet af bij lagere temperaturen of tijdens korte periodes van vochtigheid, zei ze. Een polyester shirt gemaakt met dit proces zou bestand zijn tegen zweet en wassen bij matige temperaturen, bijvoorbeeld. Drie maanden in water weken bij kamertemperatuur heeft niet geleid tot de afbraak van het plastic.
weken in lauw water leidt tot afbraak, zoals zij en haar team hebben aangetoond.
“het blijkt dat composteren niet genoeg is-mensen willen composteren in hun huis zonder hun handen vuil te maken, ze willen composteren in water,” zei ze. “Dus, dat is wat we probeerden te zien. We gebruikten warm kraanwater. Warm het gewoon op tot de juiste temperatuur, Doe het er dan in, en we zien in een paar dagen dat het verdwijnt.”
Xu ontwikkelt RHP-omwikkelde enzymen die andere soorten polyesterplastic kunnen degraderen, maar ze past ook de RHP ‘ s aan zodat de afbraak kan worden geprogrammeerd om op een bepaald punt te stoppen en het materiaal niet volledig te vernietigen. Dit zou handig kunnen zijn als het plastic opnieuw zou worden gesmolten en omgezet in Nieuw plastic.
het project wordt gedeeltelijk ondersteund door het Army Research Office van het Ministerie van Defensie, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het U. S. Army Combat Capabilities Development Command.
” deze resultaten bieden een basis voor het rationeel ontwerp van polymere materialen die over relatief korte tijdschalen kunnen degraderen, wat aanzienlijke voordelen kan bieden voor de Legerlogistiek in verband met afvalbeheer,” zei Stephanie McElhinny, Ph.D., programmamanager bij het Army Research Office. “Meer in het algemeen bieden deze resultaten inzicht in strategieën voor de incorporatie van actieve biomoleculen in vastestofmaterialen, wat implicaties kan hebben voor een verscheidenheid aan toekomstige Legercapaciteiten, waaronder sensing, decontaminatie en zelfherstellende materialen.”
vasthoudt, een film van PLA (polylactic acid) plastic ingebed met een enzym om het snel biologisch af te breken in normale compost. (UC Berkeley foto genomen door Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu zei dat geprogrammeerde degradatie de sleutel kan zijn tot het recyclen van veel objecten. Stel je voor, zei ze, met behulp van biologisch afbreekbare lijm om computercircuits te monteren of zelfs hele telefoons of elektronica, dan, als je klaar bent met hen, het oplossen van de lijm, zodat de apparaten uit elkaar vallen en alle stukken kunnen worden hergebruikt.
” het is goed voor millennials om hierover na te denken en een gesprek te beginnen dat de manier waarop we met de aarde communiceren zal veranderen, ” zei Xu. “Kijk naar al het verspilde spul dat we weggooien: kleding, schoenen, elektronica zoals mobiele telefoons en computers. We nemen dingen sneller van de aarde af dan we ze kunnen teruggeven. Ga niet terug naar de aarde om deze materialen te ontginnen, maar mijn alles wat je hebt, en zet het dan om in iets anders.Coauteurs van het artikel zijn Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li en Robert Ritchie van UC Berkeley; Corinne Scown van Berkeley Lab; en Thomas Russell van de Universiteit van Massachusetts in Amherst. Het werk werd voornamelijk gefinancierd door het Amerikaanse Ministerie van energie (de-AC02-05-CH11231), met hulp van het Army Research Office en UC Berkeley ‘ s Bakar Fellowship programma.