zmodyfikowany plastik (po lewej) rozkłada się po zaledwie trzech dniach w standardowym kompoście (po prawej) i całkowicie po dwóch tygodniach. (UC Berkeley photo by Ting Xu)
biodegradowalne Tworzywa sztuczne są reklamowane jako jedno z rozwiązań problemu zanieczyszczenia tworzyw sztucznych, który pogarsza świat, ale dzisiejsze „kompostowalne” plastikowe torby, naczynia i pokrywki na kubki nie rozkładają się podczas typowego kompostowania i nie zanieczyszczają innych tworzyw nadających się do recyklingu, powodując bóle głowy dla recyklerów. Większość kompostowalnych tworzyw sztucznych, wykonanych głównie z poliestru znanego jako kwas polimlekowy lub PLA, trafia na wysypiska i trwa tak długo, jak na zawsze Tworzywa sztuczne.
Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley, naukowcy wynaleźli sposób, aby te kompostowalne Tworzywa sztuczne rozkładały się łatwiej, za pomocą ciepła i wody, w ciągu kilku tygodni, rozwiązując problem, który zawalił przemysł tworzyw sztucznych i ekologów.
„ludzie są teraz przygotowani do przejścia na biodegradowalne polimery do jednorazowych tworzyw sztucznych, ale jeśli okaże się, że stwarza to więcej problemów niż jest to warte, polityka może powrócić”, powiedział Ting Xu, profesor inżynierii materiałowej i chemii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. „Zasadniczo mówimy, że jesteśmy na dobrej drodze. Możemy rozwiązać ten ciągły problem jednorazowych tworzyw sztucznych, które nie ulegają biodegradacji.”
Xu jest starszym autorem artykułu opisującego proces, który ukaże się w tym tygodniu w numerze czasopisma Nature.
nowa technologia powinna teoretycznie mieć zastosowanie do innych rodzajów tworzyw poliestrowych, być może umożliwiając tworzenie kompostowalnych pojemników z tworzyw sztucznych, które obecnie są wykonane z polietylenu, rodzaju poliolefiny, która nie ulega degradacji. Xu uważa, że Tworzywa poliolefinowe najlepiej przekształcić w produkty o wyższej wartości, a nie w kompost, i pracuje nad sposobami przekształcenia przetworzonych tworzyw poliolefinowych w celu ponownego użycia.
nowy proces polega na osadzaniu enzymów żywiących się poliestrem w plastiku w trakcie jego wytwarzania. Enzymy te są chronione przez proste opakowanie polimerowe, które zapobiega rozplątaniu się enzymu i staje się bezużyteczne. Po wystawieniu na działanie ciepła i wody enzym wzrusza swoją polimerową osłonę i zaczyna chomping polimeru z tworzywa sztucznego do jego bloków konstrukcyjnych – w przypadku PLA, redukując go do kwasu mlekowego, który może zasilać mikroorganizmy glebowe w kompoście. Owijanie polimerowe również ulega degradacji.
proces ten eliminuje mikroplastiki, produkt uboczny wielu procesów degradacji chemicznej i sam w sobie zanieczyszczenie. Do 98% plastiku wykonanego techniką Xu rozkłada się na małe cząsteczki.
jeden ze współautorów badania, były doktorant UC Berkeley Aaron Hall, odłączył firmę, aby dalej rozwijać te biodegradowalne Tworzywa sztuczne.
Dokonywanie samozniszczenia tworzyw sztucznych
Tworzywa sztuczne są zaprojektowane tak, aby nie ulegały zniszczeniu podczas normalnego użytkowania, ale oznacza to również, że nie ulegają zniszczeniu po ich wyrzuceniu. Najtrwalsze Tworzywa sztuczne mają prawie krystaliczną strukturę molekularną, z włóknami polimerowymi ustawionymi tak ciasno, że woda nie może ich przeniknąć, nie mówiąc już o drobnoustrojach, które mogą przeżuwać polimery, które są cząsteczkami organicznymi.
enzymy, takie jak lipaza (zielone kulki), mogą degradować plastikowe polimery z powierzchni (lewy górny róg), ale rozcinają polimer losowo, pozostawiając mikrodrobiny plastiku (prawy górny róg). Grupa UC Berkeley wbudowane enzymatyczne nanoklustery w całym plastiku (w lewym dolnym rogu), chronione przez przypadkowe heteropolimery (łańcuchy kolorowych kulek). Wbudowane enzymy są unieruchamiane w pobliżu końca łańcuchów polimerowych i, w odpowiednich warunkach ciepła i wilgoci, degradują cząsteczki polimeru głównie z końca łańcucha. Technika ta zachowuje integralność tworzywa sztucznego podczas użytkowania, ale gdy użytkownik wyzwala depolimeryzację, tworzywo sztuczne przechodzi aż do nadających się do recyklingu produktów ubocznych o małych cząsteczkach. (Grafika: Christopher DelRe)
pomysł Xu polegał na osadzeniu nanoskali enzymów żywiących się polimerami bezpośrednio w plastiku lub innym materiale w sposób, który je sekwestruje i chroni, dopóki nie uwolnią ich odpowiednie warunki. W 2018 roku pokazała, jak to działa w praktyce. Ona i jej zespół z Uniwersytetu w Berkeley wbudowali w matę włóknistą enzym, który rozkłada toksyczne związki fosforoorganiczne, takie jak te w insektycydach i chemicznych środkach bojowych. Kiedy mata była zanurzona w substancji chemicznej, wbudowany enzym rozkładał organofosforan.
jej kluczową innowacją był sposób ochrony enzymu przed rozpadem, co białka zwykle robią poza swoim normalnym środowiskiem, takim jak żywa komórka. Zaprojektowała cząsteczki, które nazwała przypadkowymi heteropolimerami lub RHPs, które owijają enzym i delikatnie trzymają go razem, nie ograniczając jego naturalnej elastyczności. RHP składają się z czterech typów podjednostek monomerowych, z których każda ma właściwości chemiczne zaprojektowane do interakcji z grupami chemicznymi na powierzchni określonego enzymu. Ulegają degradacji w świetle ultrafioletowym i są obecne w stężeniu mniejszym niż 1% masy tworzywa sztucznego-wystarczająco niskie, aby nie stanowić problemu.
do badań opisanych w artykule Nature, Xu i jej zespół zastosowali podobną technikę, otaczając enzym w RHPs i osadzając miliardy tych nanocząstek w kulkach z żywicy z tworzywa sztucznego, które są punktem wyjścia dla całej produkcji tworzyw sztucznych. Porównuje ten proces do osadzania pigmentów w plastiku, aby je pokolorować. Naukowcy wykazali, że enzymy osłonięte RHP nie zmieniły charakteru tworzywa sztucznego, które można stopić i wytłaczać we włókna, takie jak zwykłe poliestrowe tworzywo sztuczne w temperaturach około 170 Stopni Celsjusza lub 338 stopni Fahrenheita.
folia z tworzywa PLA (kwasu polimlekowego) natychmiast po umieszczeniu w kompoście (po lewej) i po tygodniu w kompoście (po prawej). Osadzony w enzymie plastik PLA może ulegać biodegradacji do prostych cząsteczek, co czyni go obiecującym jako przyszłą alternatywę dla nie ulegającego rozkładowi tworzywa sztucznego. (UC Berkeley photo by Adam Lau / Berkeley Engineering)
aby wywołać degradację, konieczne było tylko dodanie wody i trochę ciepła. W temperaturze pokojowej 80% zmodyfikowanych włókien PLA ulega całkowitej degradacji w ciągu około tygodnia. Degradacja była szybsza w wyższych temperaturach. W Warunkach kompostowania przemysłowego zmodyfikowany PLA ulega degradacji w ciągu sześciu dni w temperaturze 50 Stopni Celsjusza (122 F). Inny poliestrowy plastik, PCL (polikaprolakton), ulega degradacji w ciągu dwóch dni w Warunkach kompostowania Przemysłowego w temperaturze 40 stopni Celsjusza (104 F). W przypadku PLA wbudowała enzym zwany proteinazą K, który żuje PLA do cząsteczek kwasu mlekowego; w przypadku PCL użyła lipazy. Oba są niedrogie i łatwo dostępne enzymy.
„jeśli masz enzym tylko na powierzchni plastiku, to po prostu trawi się bardzo powoli” „Chcemy, żeby był wszędzie nanoskopowo rozprowadzany tak, że zasadniczo każdy z nich musi po prostu pożreć swoich polimerowych sąsiadów, a wtedy cały materiał się rozpada.”
Kompostowanie
szybka degradacja działa dobrze w przypadku kompostowania komunalnego, które zwykle zajmuje od 60 do 90 dni, aby przekształcić żywność i odpady roślinne w użyteczny kompost. Kompostowanie przemysłowe w wysokich temperaturach zajmuje mniej czasu, ale zmodyfikowane poliestry również rozkładają się szybciej w tych temperaturach.
Absolwent Ivan Jayapurna z przykładową folią PCL (polikaprolakton), nowego, biodegradowalnego plastiku poliestrowego. PCL z wbudowanymi enzymami ma właściwości mechaniczne bardzo podobne do tych z polietylenu o niskiej gęstości, co czyni go obiecującą alternatywą dla nie biodegradowalnych tworzyw sztucznych. (UC Berkeley photo by Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu podejrzewa, że wyższe temperatury powodują, że enzym bardziej się porusza, co pozwala mu szybciej znaleźć koniec łańcucha polimerowego i przeżuć go, a następnie przejść do następnego łańcucha. Enzymy owinięte RHP mają również tendencję do wiązania się w pobliżu końców łańcuchów polimerowych, utrzymując enzymy w pobliżu ich celów.
modyfikowane poliestry nie ulegają degradacji w niższych temperaturach ani w krótkich okresach wilgoci. Koszulka poliestrowa wykonana w tym procesie wytrzyma na przykład pot i pranie w umiarkowanych temperaturach. Moczenie w wodzie przez trzy miesiące w temperaturze pokojowej nie spowodowało degradacji plastiku.
moczenie w letniej wodzie prowadzi do degradacji, jak pokazała ona i jej zespół.
„okazuje się, że Kompostowanie to za mało — ludzie chcą kompostować w domu bez brudzenia sobie rąk, chcą kompostować w wodzie” „To właśnie próbowaliśmy zobaczyć. Użyliśmy ciepłej wody z kranu. Wystarczy podgrzać go do odpowiedniej temperatury, następnie włożyć i widzimy, że w ciągu kilku dni znika.”
Xu opracowuje enzymy owinięte RHP, które mogą degradować inne rodzaje plastiku poliestrowego, ale także modyfikuje RHP, aby degradację można było zaprogramować tak, aby zatrzymała się w określonym punkcie i nie zniszczyła całkowicie materiału. Może to być użyteczne, jeśli plastik zostanie przetopiony i przekształcony w Nowy plastik.
projekt jest częściowo wspierany przez Army Research Office Departamentu Obrony, element Army Research Laboratory amerykańskiego dowództwa rozwoju zdolności bojowych (U. S. Army Combat Capabilities Development Command).
„wyniki te stanowią podstawę racjonalnego projektowania materiałów polimerowych, które mogą ulegać degradacji w stosunkowo krótkim czasie, co może zapewnić znaczące korzyści dla logistyki wojskowej związane z gospodarowaniem odpadami”, powiedziała dr Stephanie Mcelhinny, kierownik programu w Biurze Badań wojskowych. „Mówiąc szerzej, wyniki te zapewniają wgląd w strategie włączania aktywnych biomolekuł do materiałów półprzewodnikowych, co może mieć wpływ na różne przyszłe możliwości armii, w tym wykrywanie, odkażanie i materiały samoleczące.”
folia z tworzywa sztucznego PLA (kwasu polimlekowego) osadzona w enzymie, aby szybko ulegała biodegradacji w zwykłym kompoście. (UC Berkeley photo by Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu powiedział, że programowana degradacja może być kluczem do recyklingu wielu obiektów. Wyobraź sobie, powiedziała, używając biodegradowalnego kleju do montażu obwodów komputerowych, a nawet całych telefonów lub elektroniki, a następnie, kiedy skończysz z nimi, rozpuszczając klej tak, że urządzenia rozpadają się i wszystkie elementy mogą być ponownie użyte.
„dobrze, że millenialsi pomyślą o tym i rozpoczną rozmowę, która zmieni sposób, w jaki łączymy się z ziemią” „Spójrz na wszystkie zmarnowane rzeczy, które wyrzucamy: ubrania, buty, elektronika jak telefony komórkowe i komputery. Odbieramy rzeczy z ziemi szybciej niż możemy je zwrócić. Nie wracajcie na ziemię, żeby wydobywać te materiały, ale wydobywajcie wszystko, co macie, a potem przekształcajcie to w coś innego.”
współautorami artykułu są Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li i Robert Ritchie z UC Berkeley; Corinne Scown Z Berkeley Lab; i Thomas Russell z University of Massachusetts w Amherst. Praca była finansowana głównie przez Departament Energii USA (DE-AC02-05-CH11231), przy pomocy Biura Badań armii i programu Bakar Fellowship UC Berkeley.