en modifierad plast (vänster) bryts ner efter bara tre dagar i standardkompost (höger) och helt efter två veckor. (UC Berkeley foto av Ting Xu)
biologiskt nedbrytbar plast har annonserats som en lösning på plastföroreningsproblemet som bedeviling världen, men dagens ”komposterbara” plastpåsar, redskap och kopplock bryts inte ner under typisk Kompostering och förorenar annan återvinningsbar plast, vilket skapar huvudvärk för återvinnare. De flesta komposterbara plaster, tillverkade främst av polyestern som kallas polymjölksyra, eller PLA, hamnar i deponier och varar så länge som alltid plast.
University of California, Berkeley, forskare har nu uppfunnit ett sätt att göra dessa komposterbara plaster lättare att bryta ner, med bara värme och vatten, inom några veckor, lösa ett problem som har flummoxed plastindustrin och miljöaktivister.
”människor är nu beredda att flytta in i biologiskt nedbrytbara polymerer för engångsplast, men om det visar sig att det skapar fler problem än det är värt, kan politiken återgå tillbaka”, säger Ting Xu, UC Berkeley professor i materialvetenskap och teknik och kemi. ”Vi säger i princip att vi är på rätt väg. Vi kan lösa detta fortsatta problem med engångsplast som inte är biologiskt nedbrytbar.”
Xu är seniorförfattare till ett papper som beskriver processen som kommer att visas i veckans nummer av tidskriften Nature.
den nya tekniken bör teoretiskt vara tillämplig på andra typer av polyesterplast, vilket kanske möjliggör skapandet av komposterbara plastbehållare, som för närvarande är gjorda av polyeten, en typ av polyolefin som inte bryts ned. Xu anser att polyolefinplast bäst omvandlas till produkter med högre värde, inte kompost, och arbetar på sätt att omvandla återvunnen polyolefinplast för återanvändning.
en smält extruderad PCL (polykaprolakton) plastfilament (vänster) med inbäddade nanokluster av enzymet lipas innesluten med RHP bryts ned nästan helt i små molekyler inom 36 timmar i varmt (104 F) vatten. (Bilder av Christopher DelRe)
den nya processen innebär inbäddning av polyesterätande enzymer i plasten som den är gjord. Dessa enzymer skyddas av en enkel polymerförpackning som förhindrar att enzymet lossnar och blir värdelöst. När det utsätts för värme och vatten rycker enzymet av sin polymerhölje och börjar chompa plastpolymeren i sina byggstenar — i fallet med PLA, reducerar den till mjölksyra, som kan mata jordmikroberna i kompost. Polymerförpackningen försämras också.
processen eliminerar mikroplast, en biprodukt av många kemiska nedbrytningsprocesser och ett förorenande ämne i sig. Upp till 98% av plasten som tillverkas med Xu: s teknik bryts ned i små molekyler.
en av studiens medförfattare, tidigare UC Berkeley doktorand Aaron Hall, har spunnit av ett företag för att vidareutveckla dessa biologiskt nedbrytbara plaster.
att göra plast självförstöring
plast är utformade för att inte bryta ner under normal användning, men det betyder också att de inte bryts ner efter att de har kasserats. Den mest hållbara plasten har en nästan kristallliknande molekylstruktur, med polymerfibrer inriktade så tätt att vatten inte kan tränga in i dem, än mindre mikrober som kan tugga upp polymererna, som är organiska molekyler.
enzymer som lipas (gröna bollar) kan bryta ner plastpolymerer från ytan (uppe till vänster), men de skär upp polymeren slumpmässigt och lämnar mikroplast bakom (uppe till höger). En UC Berkeley-grupp inbäddade enzymnanokluster i hela plasten (nedre vänster), skyddad av slumpmässiga heteropolymerer (kedjor av färgade bollar). De inbäddade enzymerna immobiliseras nära änden av polymerkedjorna och, under de rätta förhållandena för värme och fukt, bryter ned polymermolekyler främst från kedjeänden. Denna teknik behåller plastens integritet under användning, men när användaren utlöser depolymerisering går plasten hela vägen ner till återvinningsbara biprodukter med små molekyler. (Grafisk av Christopher DelRe)
Xu: s tanke var att bädda in nanoskala polymerätande enzymer direkt i en plast eller annat material på ett sätt som sekvestrerar och skyddar dem tills de rätta förhållandena släpper loss dem. År 2018 visade hon hur detta fungerar i praktiken. Hon och hennes UC Berkeley-team inbäddade i en fibermatta ett enzym som bryter ned giftiga organofosfatkemikalier, som de i insekticider och kemiska krigsmedel. När mattan nedsänktes i kemikalien bröt det inbäddade enzymet organofosfatet.
hennes nyckelinnovation var ett sätt att skydda enzymet från att falla ihop, vilket proteiner vanligtvis gör utanför sin normala miljö, såsom en levande cell. Hon designade molekyler som hon kallade slumpmässiga heteropolymerer, eller RHPs, som lindar runt enzymet och försiktigt håller det ihop utan att begränsa dess naturliga flexibilitet. RHP: erna består av fyra typer av monomerunderenheter, var och en med kemiska egenskaper utformade för att interagera med kemiska grupper på ytan av det specifika enzymet. De bryts ned under ultraviolett ljus och är närvarande i en koncentration av mindre än 1% av plastens vikt — tillräckligt låg för att inte vara ett problem.
för den forskning som rapporterats i Nature paper använde Xu och hennes team en liknande teknik, som innehöll enzymet i RHPs och inbäddade miljarder av dessa nanopartiklar genom plasthartspärlor som är utgångspunkten för all plasttillverkning. Hon jämför denna process med att bädda in pigment i plast för att färga dem. Forskarna visade att de RHP-höljda enzymerna inte förändrade plastens karaktär, som kunde smälta och extruderas i fibrer som vanlig polyesterplast vid temperaturer runt 170 grader Celsius eller 338 grader Fahrenheit.
en film av PLA (polymjölksyra) plast omedelbart efter att ha placerats i kompost (vänster) och efter en vecka i komposten (höger). Inbäddad med ett enzym kan PLA-plasten biologiskt nedbrytas till enkla molekyler, vilket gör det lovande som ett framtida alternativ till en icke-nedbrytbar plast. (UC Berkeley foto av Adam Lau / Berkeley Engineering)
för att utlösa nedbrytning var det bara nödvändigt att tillsätta vatten och lite värme. Vid rumstemperatur försämrades 80% av de modifierade PLA-fibrerna helt inom ungefär en vecka. Nedbrytningen var snabbare vid högre temperaturer. Under industriella komposteringsförhållanden försämrades den modifierade PLA inom sex dagar vid 50 grader Celsius (122 F). En annan polyesterplast, PCL (polykaprolakton), bryts ned på två dagar under industriella komposteringsförhållanden vid 40 grader Celsius (104 F). För PLA inbäddade hon ett enzym som kallas proteinas K som tuggar PLA upp i molekyler mjölksyra; för PCL använde hon lipas. Båda är billiga och lättillgängliga enzymer.
”om du bara har enzymet på plastens yta, skulle det bara etsa ner mycket långsamt,” sa Xu. ”Du vill ha det distribuerat nanoskopiskt överallt så att var och en av dem bara behöver äta bort sina polymergrannar, och sedan sönderdelas hela materialet.”
kompostering
den snabba nedbrytningen fungerar bra med kommunal kompostering, vilket vanligtvis tar 60 till 90 dagar för att förvandla mat och växtavfall till användbar kompost. Industriell kompostering vid höga temperaturer tar mindre tid, men de modifierade polyestrarna bryts också ner snabbare vid dessa temperaturer.
doktorand Ivan Jayapurna med en provfilm av PCL (polykaprolakton), en ny, biologiskt nedbrytbar polyesterplast. PCL med inbäddade enzymer har mekaniska egenskaper som mycket liknar lågdensitetspolyeten, vilket gör det till ett lovande framtida alternativ till icke-biologiskt nedbrytbar plast. (UC Berkeley foto av Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu misstänker att högre temperaturer gör att det förankrade enzymet rör sig mer, så att det snabbare kan hitta slutet på en polymerkedja och tugga upp den och sedan gå vidare till nästa kedja. De RHP-inslagna enzymerna tenderar också att binda nära ändarna av polymerkedjor, vilket håller enzymerna nära sina mål.
de modifierade polyestrarna bryts inte ned vid lägre temperaturer eller under korta fuktperioder, sa hon. En polyesterskjorta tillverkad med denna process tål till exempel svett och tvätt vid måttliga temperaturer. Blötläggning i vatten i tre månader vid rumstemperatur orsakade inte att plasten försämrades.
blötläggning i ljummet vatten leder till nedbrytning, som hon och hennes team visade.
” det visar sig att kompostering inte räcker — människor vill kompostera i sitt hem utan att smutsa händerna, de vill kompostera i vatten”, sa hon. ”Så det är vad vi försökte se. Vi använde varmt kranvatten. Värm upp det till rätt temperatur, sätt sedan in det, och vi ser om några dagar det försvinner.”
Xu utvecklar RHP-inslagna enzymer som kan försämra andra typer av polyesterplast, men hon modifierar också RHP: erna så att nedbrytningen kan programmeras för att stoppa vid en viss punkt och inte helt förstöra materialet. Detta kan vara användbart om plasten skulle omsmältas och förvandlas till ny plast.
projektet stöds delvis av försvarsdepartementets Army Research Office, en del av US Army Combat Capabilities Development commands Army Research Laboratory.
”dessa resultat ger en grund för rationell design av polymera material som kan försämras över relativt korta tidsskalor, vilket kan ge betydande fördelar för Army logistics relaterade till avfallshantering”, säger Stephanie McElhinny, Ph.D., programchef med Army Research Office. ”Mer allmänt ger dessa resultat insikt i strategier för införlivande av aktiva biomolekyler i solid state-material, vilket kan få konsekvenser för en mängd framtida Armkapacitet, inklusive avkänning, dekontaminering och självläkande material.”
en film av PLA (polymjölksyra) plast inbäddad med ett enzym för att göra det biologiskt nedbrytbart snabbt i vanlig kompost. (UC Berkeley foto av Adam Lau / Berkeley Engineering)
Xu sa att programmerad nedbrytning kan vara nyckeln till återvinning av många föremål. Föreställ dig, sa hon, att använda biologiskt nedbrytbart lim för att montera datorkretsar eller till och med hela telefoner eller elektronik, då, när du är klar med dem, löser du upp limet så att enheterna faller isär och alla bitar kan återanvändas.
” det är bra för millennials att tänka på detta och starta en konversation som kommer att förändra hur vi gränssnitt med jorden,” sade Xu. ”Titta på alla bortkastade saker vi slänger bort: kläder, skor, elektronik som mobiltelefoner och datorer. Vi tar saker från jorden i en snabbare takt än vi kan returnera dem. Gå inte tillbaka till jorden för att bryta för dessa material, men mina vad du än har, och konvertera det sedan till något annat.”
medförfattare av papperet inkluderar Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li och Robert Ritchie från UC Berkeley; Corinne Scown Från Berkeley Lab; och Thomas Russell från University of Massachusetts i Amherst. Arbetet finansierades främst av US Department of Energy (DE-AC02-05-CH11231), med hjälp av Army Research Office och UC Berkeley ’ s Bakar Fellowship program.