Ny proces gør bionedbrydeligt plastik virkelig komposterbart

Bionedbrydeligt plast er blevet annonceret som en løsning på problemet med plastikforurening, der gør verden til et problem, men dagens "komposterbare" plastposer, redskaber og koplåg nedbrydes ikke under typisk kompostering og forurener anden genanvendelig plast, skabe hovedpine for genbrugere. Mest komposterbar plast, fremstillet primært af polyester kendt som polymælkesyre, eller PLA, ender på lossepladser og holder så længe som evigt plast.

University of California, Berkeley, forskere har nu opfundet en måde at få disse komposterbare plaster til lettere at nedbryde, med bare varme og vand, inden for et par uger, løse et problem, der har flummoxet plastindustrien og miljøforkæmpere.

"Folk er nu parate til at flytte ind i bionedbrydelige polymerer til engangsplast, men hvis det viser sig, at det skaber flere problemer, end det er værd, så vender politikken muligvis tilbage, "sagde Ting Xu, UC Berkeley professor i materialevidenskab og teknik og kemi. "Vi siger dybest set, at vi er på rette vej. Vi kan løse dette fortsatte problem med, at engangsplast ikke er biologisk nedbrydeligt."

Xu er seniorforfatter til et papir, der beskriver den proces, der vil blive vist i tidsskriftet 21. april Natur .

Den nye teknologi skulle teoretisk set kunne anvendes på andre typer polyesterplast, muligvis muliggør oprettelse af komposterbare plastbeholdere, som i øjeblikket er fremstillet af polyethylen, en type polyolefin, der ikke nedbrydes. Xu mener, at polyolefinplast bedst omdannes til produkter af højere værdi, ikke kompost, og arbejder på måder at transformere genanvendt polyolefinplast til genbrug.

Den nye proces indebærer indlejring af polyesterædende enzymer i plasten, når den er fremstillet. Disse enzymer er beskyttet af en simpel polymerindpakning, der forhindrer enzymet i at vikle sig ud og blive ubrugelig. Når den udsættes for varme og vand, enzymet trækker sig væk fra dets polymerskærm og begynder at samle plastpolymeren i dets byggesten - i tilfælde af PLA, reducere det til mælkesyre, som kan fodre jordmikroberne i kompost. Polymerindpakningen nedbrydes også.

Processen eliminerer mikroplast, et biprodukt af mange kemiske nedbrydningsprocesser og et forurenende stof i sig selv. Op til 98% af plasten fremstillet ved hjælp af Xus teknik nedbrydes til små molekyler.

En af undersøgelsens medforfattere, tidligere UC Berkeley doktorand Aaron Hall, har afskåret en virksomhed til at videreudvikle disse bionedbrydelige plastmaterialer.

Gør selvdestruktion af plastik

Plast er designet til ikke at gå i stykker under normal brug, men det betyder også, at de ikke bryder sammen, efter at de er kasseret. Den mest holdbare plast har en næsten krystallignende molekylær struktur, med polymerfibre justeret så tæt, at vand ikke kan trænge ind i dem, endsige mikrober, der kan tygge polymererne op, som er organiske molekyler.

Xus idé var at integrere nanoskala polymer-spisende enzymer direkte i en plast eller et andet materiale på en måde, der sekvestrerer og beskytter dem, indtil de rigtige betingelser frigør dem. I 2018, hun viste, hvordan dette fungerer i praksis. Hun og hendes UC Berkeley -team indlejret i en fibermåtte et enzym, der nedbryder giftige organofosfatkemikalier, som dem i insekticider og kemiske krigsførelsesmidler. Da måtten var nedsænket i kemikaliet, det integrerede enzym nedbrød organophosphatet.

Hendes centrale innovation var en måde at beskytte enzymet mod at falde fra hinanden, som proteiner typisk gør uden for deres normale miljø, såsom en levende celle. Hun designede molekyler, hun kaldte tilfældige heteropolymerer, eller RHP'er, der vikler rundt om enzymet og forsigtigt holder det sammen uden at begrænse dets naturlige fleksibilitet. RHP'erne består af fire typer monomerunderenheder, hver med kemiske egenskaber designet til at interagere med kemiske grupper på overfladen af ​​det specifikke enzym. De nedbrydes under ultraviolet lys og er til stede i en koncentration på mindre end 1% af plastens vægt - lav nok til ikke at være et problem.

For forskningen rapporteret i Natur papir, Xu og hendes team brugte en lignende teknik, indhyller enzymet i RHP'er og indlejrer milliarder af disse nanopartikler i plastikharpiksperler, der er udgangspunktet for al plastfremstilling. Hun sammenligner denne proces med at indlejre pigmenter i plast for at farve dem. Forskerne viste, at RHP-indhyllede enzymer ikke ændrede plastens karakter, som kunne smeltes og ekstruderes til fibre som normal polyesterplast ved temperaturer omkring 170 grader Celsius, eller 338 grader Fahrenheit.

For at udløse nedbrydning, det var kun nødvendigt at tilføje vand og lidt varme. Ved stuetemperatur, 80% af de modificerede PLA -fibre nedbrydes fuldstændigt inden for cirka en uge. Nedbrydning var hurtigere ved højere temperaturer. Under industrielle komposteringsforhold, den modificerede PLA nedbrydes inden for seks dage ved 50 grader Celsius (122 F). Endnu en polyesterplast, PCL (polycaprolacton), nedbrudt på to dage under industrielle komposteringsbetingelser ved 40 grader Celsius (104 F). For PLA, hun indlejrede et enzym kaldet proteinase K, der tygger PLA op i molekyler af mælkesyre; til PCL, hun brugte lipase. Begge er billige og let tilgængelige enzymer.

"Hvis du kun har enzymet på overfladen af ​​plasten, det ville bare ætses meget langsomt ned, "Sagde Xu." Du vil have det fordelt nanoskopisk overalt, så, i det væsentlige, hver af dem skal bare spise deres polymere naboer væk, og så går hele materialet i opløsning. "

Den hurtige nedbrydning fungerer godt med kommunal kompostering, som typisk tager 60 til 90 dage at omdanne mad og planteaffald til brugbar kompost. Industriel kompostering ved høje temperaturer tager mindre tid, men de modificerede polyestere nedbrydes også hurtigere ved disse temperaturer.

Xu formoder, at højere temperaturer får det indhyllede enzym til at bevæge sig mere rundt, så den hurtigere kan finde enden af ​​en polymerkæde og tygge den og derefter gå videre til den næste kæde. De RHP-omviklede enzymer har også en tendens til at binde nær enderne af polymerkæder, holde enzymerne i nærheden af ​​deres mål.

De modificerede polyestere nedbrydes ikke ved lavere temperaturer eller i korte perioder med fugt, hun sagde. En polyester skjorte fremstillet med denne proces ville modstå sved og vask ved moderate temperaturer, for eksempel. Iblødsætning i vand i tre måneder ved stuetemperatur fik ikke plasten til at nedbrydes.

Iblødsætning i lunkent vand fører til nedbrydning, som hun og hendes team demonstrerede.

"Det viser sig, at kompostering ikke er nok - folk vil kompostere i deres hjem uden at blive snavsede på deres hænder, de vil kompostere i vand, "sagde hun." Så, det var det, vi forsøgte at se. Vi brugte varmt postevand. Bare varm det op til den rigtige temperatur, læg det derefter i, og vi ser om et par dage, at den forsvinder. "

Xu udvikler RHP-indpakket enzymer, der kan nedbryde andre typer polyesterplast, men hun ændrer også RHP'erne, så nedbrydningen kan programmeres til at stoppe på et bestemt tidspunkt og ikke ødelægge materialet fuldstændigt. Dette kan være nyttigt, hvis plasten skal smeltes om og omdannes til ny plast.

Projektet er delvist støttet af Department of Defense's Army Research Office, et element i US Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory.

"Disse resultater danner grundlag for et rationelt design af polymere materialer, der kan nedbrydes over relativt korte tidsskalaer, hvilket kunne give betydelige fordele for hærens logistik i forbindelse med affaldshåndtering, "sagde Stephanie McElhinny, Ph.d., programleder med Army Research Office. "Mere generelt, disse resultater giver indsigt i strategier for inkorporering af aktive biomolekyler i materialer i fast tilstand, hvilket kan have konsekvenser for en række fremtidige hærkapaciteter, herunder sansning, dekontaminering og selvhelbredende materialer. "

Xu sagde, at programmeret nedbrydning kunne være nøglen til genbrug af mange objekter. Forestille, hun sagde, ved hjælp af bionedbrydeligt lim til at samle computerkredsløb eller endda hele telefoner eller elektronik, derefter, når du er færdig med dem, opløse limen, så enhederne falder fra hinanden og alle stykkerne kan genbruges.

"Det er godt for årtusinder at tænke over dette og starte en samtale, der vil ændre den måde, vi interagerer med Jorden, "Sagde Xu." Se alle de spildte ting, vi smider:tøj, sko, elektronik som mobiltelefoner og computere. Vi tager ting fra jorden i en hurtigere hastighed, end vi kan returnere dem. Gå ikke tilbage til Jorden for at mine for disse materialer, men mit hvad du end har, og konverter det derefter til noget andet. "