Biogebaseerde kunststoffen zoals polymelkzuur (PLA) zijn uitgevonden om de plasticafvalcrisis te helpen oplossen, maar uiteindelijk maken ze het afvalbeheer vaak een grotere uitdaging.

Omdat deze materialen zo lijken en aanvoelen op conventionele, op aardolie gebaseerde kunststoffen, belanden veel producten niet in composteerders, waar ze worden afgebroken zoals ontworpen, maar worden ze in plaats daarvan door goedbedoelende consumenten aan de recyclingstroom toegevoegd. Daar worden de producten versnipperd en gesmolten met de recyclebare kunststoffen, waardoor de kwaliteit van het mengsel afneemt en het moeilijker wordt om functionele producten uit gerecyclede kunststofhars te vervaardigen.

De enige oplossing op dit moment is om te proberen de verschillende kunststoffen te scheiden in recyclingfaciliteiten. Maar zelfs met de meest geavanceerde, geautomatiseerde sorteerhulpmiddelen vervuilen sommige biogebaseerde kunststoffen uiteindelijk de gesorteerde stromen.

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en het Joint BioEnergy Institute (JBEI) werken samen met X – de moonshot-incubator onder leiding van Alphabet, het moederbedrijf van Google – om niet alleen de problematische scheidingsstap over te slaan, maar ook om het eindproduct beter te maken voor de planeet.

Het team heeft een eenvoudig ‘één pot’-proces uitgevonden om mengsels van op aardolie gebaseerde en biogebaseerde kunststoffen af ​​te breken met behulp van natuurlijk verkregen zoutoplossingen in combinatie met gespecialiseerde microben. In één vat fungeren de zouten als katalysator om de materialen af ​​te breken van polymeren, grote structuren van zich herhalende moleculen die aan elkaar zijn gebonden, tot de individuele moleculen die monomeren worden genoemd, die de microben vervolgens fermenteren tot een nieuw type biologisch afbreekbaar polymeer dat kan worden gemaakt. in verse grondstoffenproducten. Het proces wordt beschreven in een Eén Aarde artikel gepubliceerd op 17 november.

"Het is nogal ironisch omdat het doel van het gebruik van biogebaseerde kunststoffen is om duurzamer te zijn, maar het veroorzaakt problemen", zegt eerste auteur Chang Dou, een senior wetenschappelijk medewerker bij de Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) bij Berkeley Lab.

Dou werd onlangs genoemd als een van de 35 Under 35 van het American Institute of Chemical Engineer. "Ons project probeert het scheidingsprobleem te omzeilen en ervoor te zorgen dat u zich geen zorgen hoeft te maken of u uw recyclingbak wel of niet door elkaar haalt. al het plastic in één emmer."

Naast het stroomlijnen van recycling, zou de aanpak van het team de biogebaseerde productie van andere waardevolle producten mogelijk kunnen maken met behulp van dezelfde bacteriën die graag plastic monomeren verorberen. Stel je een wereld voor waarin biobrandstoffen of zelfs medicijnen kunnen worden gemaakt van plastic afval, waarvan ongeveer 8,3 miljard ton op stortplaatsen ligt.

“Er is een open discussie gaande over de vraag of we afvalplastic kunnen gebruiken als koolstofbron voor bioproductie. Het is een zeer geavanceerd idee. Maar we hebben bewezen dat we door het gebruik van afvalplastic microben kunnen voeden. Met meer genetische manipulatie-instrumenten zouden microben dat misschien wel kunnen.” om tegelijkertijd op meerdere soorten plastics te groeien. We voorzien het potentieel om dit onderzoek voort te zetten, waarbij we de suikers, traditionele koolstofbronnen voor microben, kunnen vervangen door de verwerkte, moeilijk te recyclen gemengde plastics die kunnen worden omgezet in waardevolle producten. door fermentatie", zegt Zilong Wang, een postdoctoraal onderzoeker aan de UC Berkeley die bij JBEI werkt.

De volgende stap van de wetenschappers van het Berkeley Lab is experimenteren met andere organische zoutkatalysatoren om er een te vinden die zowel zeer effectief is in het afbreken van polymeren als die in meerdere batches kan worden hergebruikt om de kosten te verlagen. Ze modelleren ook hoe het proces zou werken op de grote schaal van echte recyclingfaciliteiten.

In hun artikel demonstreerden de wetenschappers het potentieel van hun aanpak in laboratoriumexperimenten op laboratoriumschaal met mengsels van polyethyleentereftalaat (PET) – het meest voorkomende plastic op aardoliebasis, gebruikt in zaken als waterflessen en gesponnen tot polyestervezels – en PLA, het meest voorkomende biobased plastic.

Ze gebruikten een op aminozuren gebaseerde zoutkatalysator die eerder was ontwikkeld door collega's van JBEI en een stam van Pseudomonas putida, ontwikkeld door wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory.

Deze combinatie heeft met succes 95% van het PET/PLA-mengsel afgebroken en de moleculen omgezet in een type polyhydroxyalkanoaat (PHA) polymeer. PHA's zijn een nieuwe klasse biologisch afbreekbare plasticvervangers die zijn ontworpen om efficiënt af te breken in verschillende natuurlijke omgevingen, in tegenstelling tot op aardolie gebaseerde kunststoffen.

Teamlid Hemant Choudhary merkte op dat hoewel hun chemische recyclingproces momenteel alleen is bewezen voor PET-kunststoffen die zijn verontreinigd met biologisch afbreekbaar PLA, het nog steeds gunstig zou zijn voor de diverse plasticstromen die in echte recyclingfaciliteiten voorkomen.

"Het kan volledig worden geïntegreerd met bestaande plasticbronnen", zegt Choudhary, een stafwetenschapper van Sandia National Laboratories die bij JBEI werkt. De meeste commerciële producten zijn niet slechts één soort plastic, maar een handvol verschillende soorten gecombineerd, legde hij uit. Een fleecejack wordt bijvoorbeeld gemaakt van polyesters op PET-basis naast polyolefinen of polyamiden.

“We kunnen het in ons éénpotproces gooien en de polyestercomponent uit dat mengsel eenvoudig verwerken en omzetten in een bioplastic. Deze monomeren zijn oplosbaar in water, maar de overgebleven delen, de polyolefinen of polyamiden, niet.” De restjes kunnen eenvoudig worden verwijderd door eenvoudige filtratie en vervolgens worden afgevoerd voor een traditioneel mechanisch recyclingproces waarbij het materiaal wordt versnipperd en gesmolten, aldus Choudhary.

"Chemische recycling is een veelbesproken onderwerp geweest, maar het is moeilijk om dit op commerciële schaal te realiseren omdat alle scheidingsstappen zo duur zijn", zegt Ning Sun, stafwetenschapper bij de ABPDU, hoofdauteur en hoofdonderzoeker van dit project. .

“Maar door een biocompatibele katalysator in water te gebruiken, kunnen de microben de gedepolymeriseerde kunststoffen direct omzetten, zonder extra scheidingsstappen. Deze resultaten zijn zeer opwindend, hoewel we erkennen dat er nog een aantal verbeteringen nodig zijn om de economische levensvatbaarheid van het ontwikkelde proces te realiseren. "

Co-auteurs Nawa R. Baral en Corinne Scown, experts in techno-economische analyse in JBEI en Berkeley Lab's Biosciences Area, toonden ook aan dat het proces, eenmaal geoptimaliseerd met een herbruikbare zoutoplossing, de kosten en de CO2-voetafdruk van PHA's met 62% en 29% zou kunnen verminderen. % vergeleken met de huidige commerciële PHA-productie.

Meer informatie: Ning Sun et al., Een hybride chemisch-biologische aanpak kan gemengd plastic afval upcyclen met lagere kosten en lagere CO2-voetafdruk, One Earth (2023). DOI:10.1016/j.één jaar.2023.10.015. www.cell.com/one-earth/fulltex … 2590-3322(23)00490-6

Journaalinformatie: Eén aarde

Geleverd door Lawrence Berkeley National Laboratory