Да сложим край на безпокойството при раздяла с пластмаса

Пластмасите на биологична основа често попадат в потоците за рециклиране, защото изглеждат и се усещат като конвенционална пластмаса, но замърсяването на тези компостируеми продукти прави много по-трудно генерирането на функционален материал от рециклирана пластмаса. Учените вече са разработили биологичен процес за превръщане на тези смеси в нов биоразградим материал, който може да се използва за производство на нови стокови продукти. Изследователите вярват, че процесът може също да даде възможност за нова област на биопроизводство, в която ценни химикали и дори лекарства се правят от микроби, хранещи се с пластмасови отпадъци, изтъква ScienceDaily, представяйки разработката по информация от американската национална лаборатория на Лорънс Бъркли, част от лабораторната система на Министерство на енергетиката на САЩ (DOE). Ето подробностите:

Пластмасите на биологична основа, като полимлечната киселина (PLA), са изобретени, за да помогнат за разрешаването на кризата с пластмасовите отпадъци, но те често в крайна сметка правят управлението на отпадъците по-предизвикателно. Тъй като тези материали изглеждат и се чувстват толкова подобни на конвенционалните пластмаси на петролна основа, много продукти не попадат в компостери, където се разграждат, както е проектирано, а вместо това се добавят към потока за рециклиране от добронамерени потребители. Там продуктите се раздробяват и разтопяват с рециклируемата пластмаса, което влошава качеството на сместа и затруднява производството на функционални продукти от рециклирана пластмасова смола. Единственото решение в момента е да се опитате да разделите различните пластмаси в съоръжения за рециклиране. Но дори и с най-висок клас автоматизирани инструменти за сортиране, някои пластмаси на биологична основа в крайна сметка замърсяват сортираните потоци.

Учените от американската национална лаборатория Лорънс Бъркли и Обединения биоенергиен институт JBEI си сътрудничат с X – инкубаторът за лунни снимки, ръководен от Alphabet - компанията майка на Google, не само за да пропуснат проблемната стъпка на разделяне, но и да направят крайния продукт по-добър за планетата, изтъква ScienceDaily.

Екипът е изобретил прост процес "в един съд" за разграждане на смес от петролни пластмаси и биопластмаси, използвайки естествено получени солни разтвори, съчетани със специализирани микроби. В една вана солите действат като катализатор за разграждане на материалите от полимери, големи структури от повтарящи се молекули, свързани заедно, в отделните молекули, наречени мономери, които след това микробите ферментират в нов тип биоразградим полимер, който може да се направи в пресни стокови продукти. Процесът е описан в документ на One Earth, публикуван на 17 ноември.

„Това е някак си ирония, защото целта на използването на био-базирани пластмаси е да бъдат по-устойчиви, но това създава проблеми“, каза първият автор Чанг Доу, старши научен инженерен сътрудник в отдела за разработка на процеси за усъвършенствани биогорива и биопродукти (ABPDU) в Лаборатория Бъркли. Доу наскоро беше обявен за един от 35-те инженер-химици под 35 г. на Американския институт. По думите му, проектът се опитва да заобиколи проблема с разделянето, така че да не се налага да се притеснявате дали смесвате в кошчето си за рециклиране и че цялата пластмаса отива в една кофа.

В допълнение към рационализирането на рециклирането, подходът на екипа може да даде възможност за био-базирано производство на други ценни продукти, използвайки същите бактерии, които щастливо дъвчат пластмасови мономери. Представете си свят, в който биогорива или дори лекарства могат да се произвеждат от пластмасови отпадъци, от които около 8,3 милиарда тона се намират в сметищата.

„Има отворена дискусия за това дали можем да използваме отпадъчна пластмаса като източник на въглерод за биопроизводство. Това е много напреднала идея. Но ние доказахме, че използвайки отпадъчна пластмаса, можем да храним микроби. С повече инструменти за генно инженерство микробите може да са в състояние за отглеждане на множество видове пластмаси едновременно. Предвиждаме да продължим това проучване, където можем да заменим захарите - традиционните източници на въглерод за микробите, с обработените трудни за рециклиране смесени пластмаси, които могат да бъдат превърнати в ценни продукти чрез ферментация", каза Zilong Wang, постдокторантски изследовател в UC Berkeley, работещ в JBEI.

Следващата стъпка на учените от лабораторията Бъркли е да експериментират с други органични солеви катализатори, за да се опитат да намерят такъв, който е едновременно много ефективен при разграждането на полимерите и може да се използва повторно в множество партиди, за да се намалят разходите. Те също така моделират как процесът ще работи в големи мащаби на съоръжения за рециклиране в реалния свят.

В скорошната си статия учените демонстрираха потенциала на техния подход в лабораторни експерименти със смеси от полиетилен терефталат (PET) - най-разпространената пластмаса на петролна основа, използвана в неща като бутилки за вода и изпредена в полиестерни влакна - и PLA, най-разпространената пластмаса на биологична основа.

Те използваха солен катализатор на основата на аминокиселини, разработен преди това от колеги от JBEI и щам на Pseudomonas putida, създаден от учени от Националната лаборатория Оук Ридж. Тази комбинация успешно разгражда 95% от сместа PET/PLA и превръща молекулите във вид полихидроксиалканоатен (PHA) полимер. PHA са нов клас биоразградими пластмасови заместители, предназначени да се разграждат ефективно в различни природни среди, за разлика от пластмасите на петролна основа.

Членът на екипа Хемант Чудхари отбеляза, че въпреки че техният процес на химическо рециклиране в момента е доказан само за PET пластмаси, замърсени с биоразградим PLA, той все още би бил от полза за разнообразните пластмасови потоци, срещани в реални съоръжения за рециклиране. „Той може да бъде напълно интегриран със съществуващите пластмасови източници“, каза Чудхари, учен от персонала на Sandia National Laboratories, работещ в JBEI. Повечето търговски продукти не са само един вид пластмаса, а шепа различни видове, комбинирани, обясни той. Например, поларено яке се прави с полиестери на базата на PET заедно с полиолефини или полиамиди. „Можем да го хвърлим в нашия процес с един съд и лесно да обработим полиестерния компонент от тази смес и да го превърнем в биопластмаса. Тези мономери са разтворими във вода, но остатъчните части, полиолефините или полиамидите, не са.“ Остатъците могат лесно да бъдат отстранени чрез проста филтрация и след това изпратени за традиционен процес на механично рециклиране, където материалът се раздробява и разтопява, каза Чоудхари.

„Химическото рециклиране е гореща тема, но е трудно да се случи в търговски мащаб, защото всички стъпки на разделяне са толкова скъпи“, коментира Нинг Сун, учен в ABPDU, водещ автор и главен изследовател на този проект. "Но чрез използване на биосъвместим катализатор във вода, микробите могат директно да преобразуват деполимеризираните пластмаси без допълнителни стъпки на разделяне. Тези резултати са много вълнуващи, въпреки че ние признаваме, че все още са необходими редица подобрения, за да се реализира икономическата жизнеспособност на разработения процес."

Съавторите Nawa R. Baral и Corinne Scown, експерти по техноикономически анализи в JBEI и Berkeley Lab's Biosciences Area, също демонстрираха, че веднъж оптимизиран със солев разтвор за многократна употреба, процесът може да намали разходите и въглеродния отпечатък на PHA с 62% и 29 %, съответно, в сравнение с днешното комерсиално производство на PHA.

JBEI е изследователски център за биоенергия към американското Министерството на енергетиката (DOE), управляван от лабораторията Бъркли. ABPDU е съоръжение за сътрудничество, поддържано от Службата за биоенергийни технологии на DOE.

Оригиналната статия е публикувана първо в Berkeley Lab News Center и е достъпна ТУК.