Dodano: 22 kwiecień 2021r.

Opracowano tworzywo sztuczne, które łatwo rozkłada się pod wpływem ciepła i wody

Ograniczenie zanieczyszczenia plastikiem jest jednym z kluczowych wyzwań środowiskowych, przed którymi stoi ludzkość. W rozwiązaniu problemu mogą pomóc naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Opracowali oni nowe tworzywo sztuczne, które przy umiarkowanym cieple i w obecności wody ulega degradacji w ciągu zaledwie tygodnia.

Opracowano tworzywo sztuczne, które łatwo rozkłada się pod wpływem ciepła i wody

 

W publikacji, która ukazała się na łamach pisma „Nature”, naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (UC Berkeley) opisali nowy rodzaj tworzywa sztucznego, które przy umiarkowanym cieple i w obecności wody ulega degradacji w ciągu zaledwie tygodnia.

Materiały biodegradowalne i kompostowalne

Biodegradowalne tworzywa sztuczne były reklamowane jako jedno z rozwiązań problemu zanieczyszczenia plastikiem, który nęka świat. Ale materiały biodegradowalne, żeby się rozłożyć, wymagają odpowiednich warunków – przede wszystkim odpowiedniej temperatury, ale też mikroorganizmów glebowych czy wody. Problem polega na tym, że większość takich materiałów trafia na wysypiska śmieci, gdzie warunki nie sprzyjają ich rozkładowi. Żeby tworzywo sztuczne uległo rozkładowi w warunkach, które można spotkać na wysypiskach śmieci, musi być kompostowalne.

- Biodegradowalność nie jest równoznaczna z kompostowalnością – podkreśliła Ting Xu z UC Berkeley, główna autorka publikacji. To ona wraz ze swoim zespołem opracowała nowy typ tworzywa sztucznego, które niezwykle łatwo ulega degradacji.

Plastik przyszłości?

Tworzywa sztuczne są stosunkowo trwałym materiałem i nie rozpadają się podczas normalnego użytkowania. To oznacza również, że nie rozpadają się po wyrzuceniu. Najtrwalsze tworzywa sztuczne mają strukturę molekularną nieco podobną do kryształu, z włóknami polimerowymi ułożonymi tak ciasno, że woda nie może do nich wniknąć, nie mówiąc już o drobnoustrojach, które mogłyby je degradować.

Pomysł Xu polegał na osadzeniu enzymów degradujących tworzywa sztuczne bezpośrednio w materiale, ale w taki sposób, by były chronione, dopóki nie uwolnią ich odpowiednie warunki. Kluczowy był tu sposób ochrony enzymu przed zbyt wczesnym uwolnieniem. Badaczka specjalnie po to zaprojektowała cząsteczki, które otaczają enzym i utrzymują go razem nie ograniczając jego naturalnej elastyczności.

Opracowana przez Xu technologia wytwarzana jest poprzez osadzenie w strukturze materiału wykonanego z polikwasu mlekowego (PLA) i polikaprolaktonu (PCL) – w pełni biodegradowalnych polimerów - enzymów „zjadających” plastik. Enzymy te są otoczone ochronną warstwą z polimerów, by nie zaczęły konsumpcji zbyt wcześnie. Dopiero po wystawieniu materiału na działanie ciepła i wody ochronna osłona ulega degradacji wypuszczając enzymy rozkładające tworzywo sztuczne i przekształcające je (w przypadku PLA) w kwas mlekowy, który może odżywiać mikroby w glebie. Powłoka polimerowa również ulega degradacji, a jej stężenie w materiale nie przekracza jednego procenta jego całkowitej masy.

Co ważne, w tym procesie nie powstają mikroplastiki, które są produktem ubocznym wielu procesów degradacji tworzyw sztucznych i które same w sobie są zanieczyszczeniem.

Degradacja tworzyw sztucznych

W swoich pracach zespół wykazał, że zaprojektowane osłony dla enzymów nie zmieniły charakteru tworzywa sztucznego, a do rozpoczęcia procesu degradacji wystarczyło dodać nieco wody i nieznacznie podnieść temperaturę.

W temperaturze pokojowej 80 proc. zmodyfikowanych włókien PLA uległo całkowitej degradacji w ciągu tygodnia. W wyższych temperaturach degradacja przebiegała szybciej. W warunkach kompostowania przemysłowego zmodyfikowany PLA rozkładał się w ciągu niecałych sześciu dni w temperaturze 50 stopni Celsjusza. W przypadku zmodyfikowanych włókien PCL proces ten przebiegał znacznie szybciej. Materiał ulegał degradacji w ciągu dwóch dni w warunkach kompostowania przemysłowego w temperaturze 40 stopni Celsjusza.

W zależności od użytego materiału zespół badaczy zastosował różne enzymy. W przypadku PLA uczeni skorzystali z enzymu o nazwie proteinaza K, który rozkłada PLA na kwas mlekowy. W przypadku PCL badacze użyli lipazy. Oba są niedrogimi i łatwo dostępnymi enzymami.

Szybka degradacja dobrze sprawdza się w przypadku kompostowania komunalnego, które zwykle zajmuje od 60 do 90 dni, aby zamienić odpady w nadający się do użytku kompost. Kompostowanie przemysłowe w wysokich temperaturach zajmuje mniej czasu, ale zmodyfikowane materiały również rozkładają się szybciej w takich temperaturach.

Co ważne, zmodyfikowane materiały nie ulegają degradacji w niższych temperaturach ani podczas krótkich okresów zawilgocenia. Oznacza to, że taka chociażby koszula wykonana w ten sposób wytrzyma pranie w niskich temperaturach czy pot. Badacze sprawdzili to trzymając takie tworzywo sztuczne przez trzy miesiące w wodzie w temperaturze pokojowej i nie spowodowało to degradacji materiału.

Zespół badaczy pracuje obecnie nad innymi enzymami, które mogłyby rozkładać różne rodzaje plastiku. Uczeni chcą też zmodyfikować osłony utrzymujące enzymy w ryzach tak, by degradacja była w pełni programowalna. Tak sterowany proces rozkładu mógłby potencjalnie pomóc w recyklingu wielu materiałów.

 

Źródło: University of California, Berkeley, fot. UC Berkeley/ Ting Xu