Biologisch afbreekbare kunststoffen zijn geadverteerd als een oplossing voor het probleem van plasticvervuiling dat de wereld teistert, maar de "composteerbare" plastic zakken van tegenwoordig, keukengerei en bekerdeksels breken niet af tijdens typisch composteren en vervuilen andere recyclebare kunststoffen, het creëren van hoofdpijn voor recyclers. De meeste composteerbare kunststoffen, voornamelijk gemaakt van de polyester bekend als polymelkzuur, of PLA, eindigen op stortplaatsen en gaan net zo lang mee als plastic.

Universiteit van Californië, Berkeley, wetenschappers hebben nu een manier bedacht om deze composteerbare kunststoffen gemakkelijker af te breken, met alleen warmte en water, binnen enkele weken, het oplossen van een probleem dat de kunststofindustrie en milieuactivisten in de war heeft gebracht.

"Mensen zijn nu bereid om over te stappen op biologisch afbreekbare polymeren voor kunststoffen voor eenmalig gebruik, maar als blijkt dat het meer problemen oplevert dan het waard is, dan kan het beleid terugvallen, " zei Ting Xu, UC Berkeley hoogleraar materiaalkunde en techniek en scheikunde. "We zeggen eigenlijk dat we op de goede weg zijn. We kunnen dit aanhoudende probleem van plastic voor eenmalig gebruik dat niet biologisch afbreekbaar is, oplossen."

Xu is de hoofdauteur van een paper waarin het proces wordt beschreven dat zal verschijnen in het nummer van 21 april van het tijdschrift Natuur .

De nieuwe technologie zou theoretisch toepasbaar moeten zijn op andere soorten polyesterkunststoffen, misschien de creatie van composteerbare plastic containers mogelijk maken, die momenteel zijn gemaakt van polyethyleen, een type polyolefine dat niet afbreekt. Xu denkt dat polyolefine-kunststoffen het beste kunnen worden omgezet in producten met een hogere waarde, niet composteren, en werkt aan manieren om gerecyclede polyolefine-kunststoffen te transformeren voor hergebruik.

Het nieuwe proces omvat het inbedden van polyester-etende enzymen in het plastic zoals het wordt gemaakt. Deze enzymen worden beschermd door een eenvoudige polymeerverpakking die voorkomt dat het enzym uit de knoop raakt en onbruikbaar wordt. Bij blootstelling aan hitte en water, het enzym haalt zijn polymeermantel van zich af en begint het plastic polymeer in zijn bouwstenen te hakken - in het geval van PLA, reduceren tot melkzuur, die de bodemmicroben in compost kunnen voeden. De polymeerverpakking wordt ook afgebroken.

Het proces elimineert microplastics, een bijproduct van veel chemische afbraakprocessen en een verontreinigende stof op zich. Tot 98% van het plastic gemaakt met behulp van Xu's techniek wordt afgebroken tot kleine moleculen.

Een van de co-auteurs van het onderzoek, voormalig UC Berkeley promovendus Aaron Hall, heeft een bedrijf afgesplitst om deze biologisch afbreekbare kunststoffen verder te ontwikkelen.

Zelfvernietiging van plastic maken

Kunststoffen zijn ontworpen om bij normaal gebruik niet af te breken, maar dat betekent ook dat ze niet kapot gaan nadat ze zijn weggegooid. De meest duurzame kunststoffen hebben een bijna kristalachtige moleculaire structuur, met polymeervezels die zo strak zijn uitgelijnd dat water er niet in kan doordringen, laat staan ​​microben die de polymeren zouden kunnen opeten, dat zijn organische moleculen.

Xu's idee was om polymeer-etende enzymen op nanoschaal rechtstreeks in een plastic of ander materiaal in te bedden op een manier die ze sequestreert en beschermt totdat de juiste omstandigheden ze ontketenen. in 2018, ze liet zien hoe dit in de praktijk werkt. Zij en haar UC Berkeley-team hebben in een vezelmat een enzym ingebed dat giftige organofosfaatchemicaliën afbreekt, zoals die in insecticiden en middelen voor chemische oorlogsvoering. Toen de mat werd ondergedompeld in de chemische stof, het ingebedde enzym brak het organofosfaat af.

Haar belangrijkste innovatie was een manier om het enzym te beschermen tegen uit elkaar vallen, wat eiwitten doorgaans doen buiten hun normale omgeving, zoals een levende cel. Ze ontwierp moleculen die ze willekeurige heteropolymeren noemde, of RHP's, die zich om het enzym wikkelen en het voorzichtig bij elkaar houden zonder de natuurlijke flexibiliteit ervan te beperken. De RHP's zijn samengesteld uit vier soorten monomeersubeenheden, elk met chemische eigenschappen die zijn ontworpen om te interageren met chemische groepen op het oppervlak van het specifieke enzym. Ze worden afgebroken onder ultraviolet licht en zijn aanwezig in een concentratie van minder dan 1% van het gewicht van het plastic - laag genoeg om geen probleem te zijn.

Voor het onderzoek gerapporteerd in de Natuur papier, Xu en haar team gebruikten een vergelijkbare techniek, het enzym omhullen in RHP's en miljarden van deze nanodeeltjes insluiten in plastic harsparels die het startpunt vormen voor alle plasticproductie. Ze vergelijkt dit proces met het inbedden van pigmenten in plastic om ze te kleuren. De onderzoekers toonden aan dat de RHP-omhulde enzymen het karakter van het plastic niet veranderden, die kunnen worden gesmolten en geëxtrudeerd tot vezels zoals normaal polyester plastic bij temperaturen rond de 170 graden Celsius, of 338 graden Fahrenheit.

Om degradatie op gang te brengen, het was alleen nodig om water en een beetje warmte toe te voegen. Op kamertemperatuur, 80% van de gemodificeerde PLA-vezels is binnen ongeveer een week volledig afgebroken. De afbraak was sneller bij hogere temperaturen. Onder industriële composteringsomstandigheden, het gemodificeerde PLA degradeerde binnen zes dagen bij 50 graden Celsius (122 F). Nog een polyester plastic, PCL (polycaprolacton), afgebroken in twee dagen onder industriële composteringsomstandigheden bij 40 graden Celsius (104 F). Voor PLA, ze heeft een enzym ingebed genaamd proteïnase K dat PLA kauwt tot moleculen van melkzuur; voor PCL, ze gebruikte lipase. Beide zijn goedkope en gemakkelijk verkrijgbare enzymen.

"Als je het enzym alleen op het oppervlak van het plastic hebt, het zou gewoon heel langzaam etsen, " zei Xu. "Je wilt dat het overal nanoscopisch wordt verspreid, zodat, eigenlijk, elk van hen moet gewoon hun polymere buren opeten, en dan valt het hele materiaal uiteen."

De snelle afbraak werkt goed bij gemeentelijke compostering, wat doorgaans 60 tot 90 dagen duurt om voedsel en plantaardig afval om te zetten in bruikbare compost. Industrieel composteren bij hoge temperaturen kost minder tijd, maar de gemodificeerde polyesters breken ook sneller af bij deze temperaturen.

Xu vermoedt dat hogere temperaturen het omhulde enzym meer laten bewegen, waardoor het sneller het einde van een polymeerketen kan vinden en het op kan kauwen om vervolgens door te gaan naar de volgende keten. De RHP-verpakte enzymen hebben ook de neiging om te binden aan de uiteinden van polymeerketens, het houden van de enzymen in de buurt van hun doelen.

De gemodificeerde polyesters worden niet afgebroken bij lagere temperaturen of tijdens korte perioden van vochtigheid, ze zei. Een polyester shirt dat met dit proces is gemaakt, is bestand tegen zweet en wassen bij gematigde temperaturen, bijvoorbeeld. Drie maanden weken in water bij kamertemperatuur zorgde er niet voor dat het plastic degradeerde.

Weken in lauw water leidt wel tot degradatie, zoals zij en haar team lieten zien.

"Het blijkt dat composteren niet genoeg is - mensen willen in hun huis composteren zonder hun handen vuil te maken, ze willen composteren in water, "zei ze. "Dus, dat is wat we probeerden te zien. We gebruikten warm kraanwater. Verwarm het gewoon tot de juiste temperatuur, zet het er dan in, en we zien dat het binnen een paar dagen verdwijnt."

Xu ontwikkelt RHP-verpakte enzymen die andere soorten polyester plastic kunnen afbreken, maar ze past ook de RHP's aan zodat de degradatie kan worden geprogrammeerd om op een bepaald punt te stoppen en het materiaal niet volledig te vernietigen. Dit kan handig zijn als het plastic zou worden omgesmolten en omgezet in nieuw plastic.

Het project wordt gedeeltelijk ondersteund door het legeronderzoeksbureau van het ministerie van Defensie, een onderdeel van het Army Research Laboratory van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command.

"Deze resultaten vormen een basis voor het rationele ontwerp van polymere materialen die in relatief korte tijd kunnen worden afgebroken, die aanzienlijke voordelen zou kunnen bieden voor de logistiek van het leger met betrekking tot afvalbeheer, " zei Stephanie McElhinny, doctoraat, programmamanager bij het Legeronderzoeksbureau. "Breder, deze resultaten geven inzicht in strategieën voor de incorporatie van actieve biomoleculen in vastestofmaterialen, die gevolgen kunnen hebben voor een verscheidenheid aan toekomstige legercapaciteiten, inclusief voelen, ontsmettings- en zelfherstellende materialen."

Xu zei dat geprogrammeerde degradatie de sleutel kan zijn tot het recyclen van veel objecten. Stel je voor, ze zei, met behulp van biologisch afbreekbare lijm om computercircuits of zelfs hele telefoons of elektronica in elkaar te zetten, dan, als je klaar bent met ze, het oplossen van de lijm zodat de apparaten uit elkaar vallen en alle stukjes opnieuw kunnen worden gebruikt.

"Het is goed voor millennials om hierover na te denken en een gesprek te beginnen dat de manier waarop we omgaan met de aarde zal veranderen, " zei Xu. "Kijk eens naar alle weggegooide spullen die we weggooien:kleding, schoenen, elektronica zoals mobiele telefoons en computers. We halen dingen sneller van de aarde dan we ze kunnen teruggeven. Ga niet terug naar de aarde om deze materialen te delven, maar de mijne, wat je ook hebt, en zet het dan om in iets anders."