At sætte en stopper for plastisk adskillelsesangst

Biobaseret plast, såsom polymælkesyre (PLA) blev opfundet for at hjælpe med at løse plastikaffaldskrisen, men de ender ofte med at gøre affaldshåndtering mere udfordrende.

Fordi disse materialer ligner og føles så meget som konventionel, petroleumsbaseret plast, ender mange produkter ikke i kompostere, hvor de nedbrydes som designet, men i stedet bliver tilføjet til genbrugsstrømmen af ​​velmenende forbrugere. Der bliver produkterne makuleret og smeltet om med den genanvendelige plast, hvilket bringer kvaliteten af ​​blandingen ned og gør det sværere at fremstille funktionelle produkter af genbrugsplastik.

Den eneste løsning på nuværende tidspunkt er at forsøge at adskille de forskellige plastik på genbrugsanlæg. Men selv med de mest avancerede, automatiserede sorteringsværktøjer ender noget biobaseret plastik med at forurene de sorterede vandløb.

Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Joint BioEnergy Institute (JBEI) samarbejder med X – måneskudsinkubatoren ledet af Alphabet, Googles moderselskab – for ikke kun at springe det problematiske adskillelsestrin over, men også gøre det endelige produkt bedre for planeten.

Holdet har opfundet en simpel "one pot"-proces til at nedbryde blandinger af petroleumsbaseret og biobaseret plast ved hjælp af naturligt afledte saltopløsninger parret med specialiserede mikrober. I et enkelt kar fungerer saltene som en katalysator til at nedbryde materialerne fra polymerer, store strukturer af gentagne molekyler bundet sammen, til de individuelle molekyler kaldet monomerer, som mikroberne derefter fermenterer til en ny type bionedbrydelig polymer, der kan fremstilles til friske råvarer. Processen er beskrevet i en One Earth papir offentliggjort 17. november.

"Det er lidt ironisk, fordi formålet med at bruge biobaseret plast er at være mere bæredygtigt, men det giver problemer," sagde førsteforfatter Chang Dou, en senior videnskabelig ingeniørmedarbejder ved Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) på Berkeley Lab.

Dou blev for nylig udnævnt til en af ​​American Institute of Chemical Engineers 35 Under 35. "Vores projekt forsøger at komme uden om adskillelsesproblemet og gøre det, så du ikke behøver at bekymre dig om, hvorvidt du blander din genbrugsspand. Du kan lægge al plastikken i én spand."

Ud over at strømline genanvendelse kan holdets tilgang muliggøre biobaseret fremstilling af andre værdifulde produkter ved hjælp af de samme bakterier, som gladeligt gumler på plastikmonomerer. Forestil dig en verden, hvor biobrændstoffer eller endda medicin kunne fremstilles af plastikaffald - hvoraf der er omkring 8,3 milliarder tons på lossepladser.

"Der er en åben diskussion om, hvorvidt vi kan bruge affaldsplastik som kulstofkilde til biofremstilling. Det er en meget avanceret idé. Men vi beviste, at vi ved at bruge affaldsplastik kan fodre mikrober. Med flere genteknologiske værktøjer vil mikrober måske kunne at vokse på flere typer plastik på samme tid. Vi forudser potentialet for at fortsætte denne undersøgelse, hvor vi kan erstatte sukkerarterne, traditionelle kulstofkilder til mikrober, med den forarbejdede, vanskelige genanvendelige blandede plast, der kan omdannes til værdifulde produkter. gennem fermentering," sagde Zilong Wang, en UC Berkeley postdoc-forsker, der arbejder ved JBEI.

Berkeley Lab-forskernes næste skridt er at eksperimentere med andre organiske saltkatalysatorer for at forsøge at finde en, der både er yderst effektiv til at nedbryde polymerer og kan genbruges i flere partier for at sænke omkostningerne. De modellerer også, hvordan processen ville fungere på de store skalaer af virkelige genbrugsanlæg.

I deres papir demonstrerede forskerne potentialet i deres tilgang i laboratoriebænkskalaforsøg med blandinger af polyethylenterephthalat (PET) - den mest almindelige petroleumsbaserede plastik, brugt i ting som vandflasker og spundet til polyesterfibre - og PLA, den mest almindelige biobaserede plast.

De brugte en aminosyrebaseret saltkatalysator, der tidligere var udviklet af kolleger ved JBEI, og en stamme af Pseudomonas putida udviklet af videnskabsmænd ved Oak Ridge National Laboratory.

Denne kombination nedbrød med succes 95% af PET/PLA-blandingen og omdannede molekylerne til en type polyhydroxyalkanoat (PHA) polymer. PHA'er er en ny klasse af bionedbrydelige plasterstatninger designet til effektivt at nedbrydes i en række naturlige miljøer i modsætning til petroleumsbaseret plast.

Teammedlem Hemant Choudhary bemærkede, at selvom deres kemiske genanvendelsesproces i øjeblikket kun er bevist for PET-plast, der er forurenet med biologisk nedbrydeligt PLA, ville det stadig være gavnligt for de forskellige plastikstrømme, man støder på i rigtige genbrugsanlæg.

"Det kan integreres fuldstændigt med eksisterende plastikkilder," sagde Choudhary, en Sandia National Laboratories-medarbejder, der arbejder ved JBEI. De fleste kommercielle produkter er ikke kun én slags plastik, men en håndfuld forskellige slags kombineret, forklarede han. For eksempel er en fleecejakke lavet med PET-baserede polyestere sammen med polyolefiner eller polyamider.

"Vi kan smide det i vores one-pot-proces og nemt behandle polyesterkomponenten fra den blanding og omdanne den til en bioplast. Disse monomerer er opløselige i vand, men de resterende dele, polyolefinerne eller polyamiderne, er det ikke." Resterne kan nemt fjernes ved simpel filtrering og derefter sendes til en traditionel mekanisk genbrugsproces, hvor materialet rives og smeltes, sagde Choudhary.

"Kemisk genanvendelse har været et varmt emne, men det er svært at få det til at ske i kommerciel skala, fordi alle adskillelsestrinene er så dyre," siger Ning Sun, en stabsforsker ved ABPDU, hovedforfatter og hovedefterforsker af dette projekt .

"Men ved at bruge en biokompatibel katalysator i vand kan mikroberne direkte omdanne den depolymeriserede plast uden ekstra adskillelsestrin. Disse resultater er meget spændende, selvom vi erkender, at der stadig er behov for en række forbedringer for at realisere den økonomiske levedygtighed af den udviklede proces. "

Medforfatterne Nawa R. Baral og Corinne Scown, eksperter i teknoøkonomisk analyse i JBEI og Berkeley Labs biovidenskabsområde, viste også, at processen, når den først er optimeret med en genanvendelig saltopløsning, kan reducere omkostningerne og CO2-fodaftrykket for PHA'er med 62 % og 29 % sammenlignet med nutidens kommercielle PHA-produktion.

Flere oplysninger: Ning Sun et al., En hybrid kemisk-biologisk tilgang kan upcycle blandet plastikaffald med reducerede omkostninger og CO2-fodaftryk, One Earth (2023). DOI:10.1016/j.oneear.2023.10.015. www.cell.com/one-earth/fulltex … 2590-3322(23)00490-6

Journaloplysninger: One Earth

Leveret af Lawrence Berkeley National Laboratory