Um plástico modificado (à esquerda) se quebra, depois de apenas três dias no padrão de compostagem (direita) e totalmente após duas semanas. (Foto de UC Berkeley por Ting Xu)
os plásticos biodegradáveis foram anunciados como uma solução para o problema da poluição plástica que atormenta o mundo, mas os sacos plásticos “compostáveis” de hoje, utensílios e tampas de copos não quebram durante a compostagem típica e contaminam outros plásticos recicláveis, criando dores de cabeça para os recicladores. A maioria dos plásticos compostáveis, feitos principalmente do poliéster conhecido como ácido polilático, ou PLA, acabam em aterros sanitários e duram tanto quanto os plásticos para sempre.Universidade da Califórnia, Berkeley, os cientistas agora inventaram uma maneira de fazer esses plásticos compostáveis quebrarem mais facilmente, com apenas calor e água, dentro de algumas semanas, resolvendo um problema que abalou a indústria de plásticos e os ambientalistas.”As pessoas agora estão preparadas para se mudarem para polímeros biodegradáveis para plásticos de uso único, mas se isso criar mais problemas do que vale a pena, a política pode reverter”, disse Ting Xu, professor de Ciência e engenharia de materiais e química da UC Berkeley. “Estamos basicamente dizendo que estamos no caminho certo. Podemos resolver esse problema contínuo de plásticos descartáveis não serem biodegradáveis.”
Xu é o autor sênior de um artigo descrevendo o processo que aparecerá na edição desta semana da revista Nature.
a nova tecnologia deve teoricamente ser aplicável a outros tipos de plásticos de poliéster, talvez permitindo a criação de recipientes plásticos compostáveis, que atualmente são feitos de polietileno, um tipo de poliolefina que não se degrada. Xu acha que os plásticos de poliolefina são melhor transformados em produtos de maior valor, não composto, e está trabalhando em maneiras de transformar plásticos de poliolefina reciclados para reutilização.
Um extrudados PCL (polycaprolactone) filamento de plástico (à esquerda) com o embedded nanoclusters da enzima lipase envolto com RHP degradadas quase que completamente em pequenas moléculas dentro de 36 horas em água morna (104 ° F) de água. (Fotos de Christopher DelRe)
o novo processo envolve a incorporação de enzimas que consomem poliéster no plástico à medida que é feito. Essas enzimas são protegidas por um simples invólucro de polímero que impede que a enzima se desenrole e se torne inútil. Quando exposta ao calor e à água, a enzima encolhe a cobertura do polímero e começa a mastigar o polímero plástico em seus blocos de construção — no caso do PLA, reduzindo-o ao ácido láctico, que pode alimentar os micróbios do solo em composto. O invólucro de polímero também se degrada.
o processo elimina microplásticos, um subproduto de muitos processos de degradação química e um poluente por direito próprio. Até 98% do plástico feito usando a técnica de Xu se degrada em pequenas moléculas.Um dos co-autores do estudo, o ex-aluno de doutorado da UC Berkeley Aaron Hall, desmembrou uma empresa para desenvolver ainda mais esses plásticos biodegradáveis.
fazer plástico autodestruição
os plásticos são projetados para não quebrar durante o uso normal, mas isso também significa que eles não quebram depois de serem descartados. Os plásticos mais duráveis têm uma estrutura molecular quase cristalina, com fibras poliméricas alinhadas com tanta força que a água não pode penetrá-las, muito menos micróbios que podem mastigar os polímeros, que são moléculas orgânicas.
enzimas como a lipase (bolas verdes) podem degradar polímeros plásticos da superfície (canto superior esquerdo), mas cortam o polímero aleatoriamente, deixando os microplásticos para trás (canto superior direito). Um grupo UC Berkeley incorporou nanoclusters enzimáticos em todo o plástico (canto inferior esquerdo), protegidos por heteropolímeros aleatórios (cadeias de bolas coloridas). As enzimas incorporadas são imobilizadas perto da extremidade das cadeias poliméricas e, sob as condições corretas de calor e umidade, degradam as moléculas de polímero principalmente da extremidade da cadeia. Essa técnica mantém a integridade do plástico durante o uso, mas, quando o usuário desencadeia a despolimerização, o plástico vai até os subprodutos recicláveis de pequenas moléculas. (Gráfico por Christopher DelRe)
a ideia de Xu era incorporar enzimas poliméricas em nanoescala diretamente em um plástico ou outro material de uma forma que os Sequestre e proteja até que as condições certas os desencadeiem. Em 2018, ela mostrou como isso funciona na prática. Ela e sua equipe da UC Berkeley incorporaram em um tapete de fibra uma enzima que degrada produtos químicos organofosforados tóxicos, como os de inseticidas e agentes de guerra química. Quando o tapete foi imerso no produto químico, a enzima incorporada quebrou o organofosfato.Sua principal inovação foi uma maneira de proteger a enzima de desmoronar, que as proteínas normalmente fazem fora de seu ambiente normal, como uma célula viva. Ela projetou moléculas que ela chamou de heteropolímeros aleatórios, ou RHPs, que envolvem a enzima e gentilmente a mantêm unida sem restringir sua flexibilidade natural. Os RHPs são compostos por quatro tipos de subunidades monoméricas, cada uma com propriedades químicas projetadas para interagir com grupos químicos na superfície da enzima específica. Eles se degradam sob luz ultravioleta e estão presentes em uma concentração inferior a 1% do peso do plástico — baixo o suficiente para não ser um problema.
para a pesquisa relatada no Nature paper, Xu e sua equipe usaram uma técnica semelhante, envolvendo a enzima em RHPs e incorporando bilhões dessas nanopartículas em contas de resina plástica que são o ponto de partida para toda a fabricação de plástico. Ela compara esse processo à incorporação de pigmentos em plástico para colori-los. Os pesquisadores mostraram que as enzimas envoltas em RHP não alteraram o caráter do plástico, que poderia ser derretido e extrudido em fibras como o plástico de poliéster normal a temperaturas em torno de 170 graus Celsius, ou 338 graus Fahrenheit.
um filme de plástico PLA (ácido polilático) imediatamente após ser colocado em composto (esquerda) e após uma semana no composto (direita). Incorporado com uma enzima, o plástico PLA pode biodegradar a moléculas simples, tornando-o promissor como uma alternativa futura a um plástico não degradável. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering)
para desencadear a degradação, era necessário apenas adicionar água e um pouco de calor. À temperatura ambiente, 80% das fibras modificadas de PLA degradaram-se inteiramente em cerca de uma semana. A degradação foi mais rápida em temperaturas mais altas. Sob condições de compostagem industrial, o PLA modificado degradou-se dentro de seis dias a 50 graus Celsius (122 F). Outro plástico de poliéster, PCL (policaprolactona), degradado em dois dias sob condições de compostagem industrial a 40 graus Celsius (104 F). Para o PLA, ela incorporou uma enzima chamada proteinase K que mastiga o PLA em moléculas de ácido láctico; para PCL, ela usou lipase. Ambos são enzimas baratas e prontamente disponíveis.
“se você tiver a enzima apenas na superfície do plástico, ela apenas gravaria muito lentamente”, disse Xu. “Você quer que seja distribuído nanoscopicamente em todos os lugares, de modo que, essencialmente, cada um deles só precisa comer seus vizinhos de polímero, e então todo o material se desintegra.”
compostagem
a rápida degradação funciona bem com a compostagem municipal, que normalmente leva de 60 a 90 dias para transformar alimentos e resíduos vegetais em composto utilizável. A compostagem Industrial a altas temperaturas leva menos tempo, mas os poliésteres modificados também se quebram mais rapidamente nessas temperaturas.
estudante de pós-Graduação Ivan Jayapurna com uma amostra de filme de PCL (polycaprolactone), um poliéster biodegradável do plástico. O PCL com enzimas incorporadas tem propriedades mecânicas muito semelhantes às do polietileno de baixa densidade, tornando-o uma alternativa futura promissora aos plásticos não biodegradáveis. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu suspeita que temperaturas mais altas fazem a enzima envolta se mover mais, permitindo-lhe encontrar mais rapidamente o fim de uma cadeia de polímero e mastigá-lo e, em seguida, passar para a próxima cadeia. As enzimas envolvidas em RHP também tendem a se ligar perto das extremidades das cadeias poliméricas, mantendo as enzimas perto de seus alvos.
os poliésteres modificados não se degradam a temperaturas mais baixas ou durante breves períodos de umidade, disse ela. Uma camisa de poliéster feita com esse processo suportaria suor e lavagem a temperaturas moderadas, por exemplo. A imersão em água por três meses à temperatura ambiente não fez com que o plástico se degradasse.A imersão em água morna leva à degradação, como ela e sua equipe demonstraram.”Acontece que a compostagem não é suficiente — as pessoas querem compostar em sua casa sem sujar as mãos, querem compostar na água”, disse ela. “Então, foi isso que tentamos ver. Usamos água quente da torneira. Basta aquecê-lo até a temperatura certa, depois colocá-lo, e vemos em alguns dias ele desaparece.”
Xu está desenvolvendo enzimas envolvidas em RHP que podem degradar outros tipos de plástico de poliéster, mas ela também está modificando os RHPs para que a degradação possa ser programada para parar em um ponto especificado e não destruir completamente o material. Isso pode ser útil se o plástico fosse refeito e transformado em plástico novo.
o projeto é em parte apoiado pelo escritório de pesquisa do exército do Departamento de defesa, um elemento do Laboratório de pesquisa do exército do comando de desenvolvimento de capacidades de Combate Do Exército dos EUA.”Esses resultados fornecem uma base para o projeto racional de materiais poliméricos que podem se degradar em prazos relativamente curtos, o que poderia fornecer vantagens significativas para a logística do exército relacionada à gestão de resíduos”, disse Stephanie McElhinny, Ph. D., gerente de programa do Escritório de pesquisa do exército. “De forma mais ampla, esses resultados fornecem insights sobre estratégias para a incorporação de biomoléculas ativas em materiais de Estado Sólido, o que poderia ter implicações para uma variedade de capacidades futuras do exército, incluindo materiais de detecção, descontaminação e autocura.”
um filme de plástico PLA (ácido polilático) incorporado com uma enzima para torná-lo biodegradável rapidamente em composto regular. (Foto de UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu disse que a degradação programada pode ser a chave para reciclar muitos objetos. Imagine, ela disse, usando cola biodegradável para montar circuitos de computador ou até telefones ou eletrônicos inteiros, então, quando você terminar com eles, dissolvendo a cola para que os dispositivos desmoronem e todas as peças possam ser reutilizadas.”É bom para a geração do Milênio pensar sobre isso e iniciar uma conversa que mudará a maneira como interagimos com a terra”, disse Xu. “Olhe para todas as coisas desperdiçadas que jogamos fora: roupas, sapatos, eletrônicos como celulares e computadores. Estamos tirando as coisas da terra a um ritmo mais rápido do que podemos devolvê-las. Não volte para a terra para minerar esses materiais, mas mina o que você tiver, e depois converta-o em outra coisa.”
Co-autores do artigo incluem Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li e Robert Ritchie, da universidade da califórnia, Berkeley; Corinne Scown de Berkeley Lab; e Thomas Russell, da Universidade de Massachusetts em Amherst. O trabalho foi financiado principalmente pelo Departamento de energia dos EUA (de-AC02-05-CH11231), com assistência do Escritório de pesquisa do exército e do programa Bakar Fellowship da UC Berkeley.