Kemikere skaber en ny vej til PHA'er:naturligt nedbrydeligt bioplast

En bølge af offentlig fremdrift svulmer op mod krisen med petroleumsbaseret plast, som ligger på vores lossepladser, flyder i vores oceaner, og dukker op i vores luft og endda vores mad.

I mellemtiden i et kemolaboratorium i Colorado State University, nogle af de bedste hjerner inden for polymervidenskab arbejder hen imod, hvad de mener er en levedygtig løsning. Hver dag, de arbejder på ny kemi for bæredygtige materialer, der kunne konkurrere med, og til sidst endda erstatte, det svære at genbruge, ikke-nedbrydeligt råvareplast, der har overvældet vores miljø i årtier.

Eugene Chen, professor i Institut for Kemi, har ledet en ny undersøgelse, der demonstrerer en kemisk katalysevej til at gøre en eksisterende klasse af biomaterialer - der allerede tager fart i industrielle omgivelser - endnu mere kommercielt levedygtig og strukturelt forskelligartet. Resultaterne offentliggøres i tidsskriftet Videnskab , og papiret inkluderer førsteforfatter Xiaoyan Tang og kandidatstuderende medforfattere Andrea Westlie og Eli Watson.

Biologisk nedbrydelig plast

I de seneste år, Chen har fokuseret nogle af sit laboratoriums indsats på et sæt biomaterialer kaldet PHA'er, eller polyhydroxyalkanoater. De er en klasse af polyestere, produceret af bakterier, som er biologisk nedbrydelige i en grad, der ikke ses i kommerciel plast. De slår "komposterbar" bioplast ud af polymælkesyre (PLA) ved at nedbrydes naturligt i oceaner og lossepladser, hvorimod PLA skal komposteres industrielt. Nogle ser PHA'er som et fyrtårn i mørke, en verden fyldt med plastik, med virksomheder, der allerede forsøger at skabe en industri omkring sådanne biobaserede materialer.

Men PHA'er har deres begrænsninger. De fremstilles i bioreaktorer, hvor bakteriesamfund omdanner biofornyelige kulstofråvarer, såsom sukker, til den enkleste form for PHA, kaldet poly(3-hydroxybutyrat), eller P3HB. Forskellige kulstofkilder og bakterier kan også lave andre PHA-derivater. Disse biosyntese-opsætninger er i øjeblikket dyre, relativt langsomme og hæmmet af deres begrænsede skalerbarhed og produktivitet.

I deres Science paper, Chen og kolleger angriber disse begrænsninger én efter én, tilbyder en roman, kemisk syntetisk vej til fremstilling af konventionelle og nye PHA'er med forbedret, indstillelig, mekaniske og fysiske egenskaber. Det er netop disse egenskaber, der gjorde petroleumsplastik så allestedsnærværende i vores verden.

Polymerisationsmetode

CSU-polymerkemikerne rapporterer, at deres nye polymerisationsmetodologi er aktiveret af katalysatorer, der direkte polymeriserer en bio-source monomer kaldet 8DL, der findes i en form kaldet stereo-isomerer. Den katalyserede polymerisation producerer velordnet, krystallinsk, såkaldte "stereosekvenserede" PHA'er. I laboratoriet, forskerne viste deres materialers duktilitet og sejhed, og deres evne til at afstemme strukturen og funktionen af ​​deres materialer.

"Vi ønskede at løse flaskehalsproblemet, " sagde Chen. "Hvordan kan vi udvikle den kemiske katalysevej til denne fantastiske klasse af biologisk nedbrydelig plast, så du har, i bund og grund, skalerbarhed, hurtig produktion og tilpasning til at lave forskellige PHA'er? … Det var motivationen."

Dette arbejde byggede på tidligere offentliggjort forskning, der dukkede op i Naturkommunikation . Derefter, forskerne brugte deres kemiske syntesebane til at lave P3HB, et af 150 PHA-biomaterialer. Men P3HB er relativt sprød, hvilket gør det upraktisk til mange petroleumsplastapplikationer i dag.

Chen understreger, at han ikke er ekspert i biosyntetiske veje til fremstilling af PHA'er. Imidlertid, hans laboratorium tilbyder den teknologisk fordelagtige kemiske katalysetilgang til både eksisterende og nye PHA-materialer - som kan spille en stor rolle i løsningen af ​​plastikkrisen i vores generation.