فرآیندی جدید که با استفاده از گرما و آب، پلاستیک زیست تخریب پذیر را سریع‌تر تجزیه می‌کند
دانشمندان آمریکا، راهی ابداع کردند تا پلاستیک‌ها با قابلیت کمپوست را طی چند هفته تنها با آب و گرما تجزیه کنند. این پیشرفت به طور بالقوه چالش‌های مدیریت پسماند را در پایگاه‌های عملیاتی پیش رو برطرف می‌کند و پیشرفت‌های فناوری بیش‌تری را ارائه می‌دهد. فرآیند جدید که توسط محققان دانشگاه‌های کالیفرنیا، برکلی، ماساچوست آمهرست توسعه داده شده است شامل جاسازی آنزیم‌های خورنده پلی‌استر به هنگام ساخت است.
به هنگام قرارگیری در معرض آب و گرما، آنزیم پوشش پلیمری خود را تکان می‌دهد و شروع به چنگ زدن به پلیمر پلاستیکی در بلوک‌های سازنده خود می‌کند. در مورد پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر در درجه اول پلی‌استر شناخته شده مانند PLA، آن را به لاکتیک اسید کاهش می‌دهد و می‌تواند سبب تغذیه میکروب‌های خاک در کمپوست شود. در این حالت نیز لفاف پلیمر (Polymer wrapping) تخریب می‌شود. این فرآیند که در Nature منتشر شده است، نشان می‌دهد که میکروپلاست‌ها که محصول جانبی بسیاری از فرآیندهای تخریب شیمیایی بوده و به خودی خود آلوده‌کننده است را از بین می‌برد. با استفاده از این روش تا ۹۸% پلاستیک ساخته شده به مولکول‌های کوچک تجزیه می‌شوند.
به گفته Stephanie McElhinny مدیر برنامه؛ این نتایج، اساسی را برای طراحی منطقی مواد پلیمری ارائه می‌دهد که می‌توانند در بازه زمانی نسبتاً کوتاه تخریب شوند. همچنین قابلیت فراهم کردن مزایای قابل توجهی برای مدیریت پسماند تدارکات صنایع را دارد. به طور گسترده‌تر، این نتایج بینشی را در مورد ترکیب زیست مولکول‌های فعال در مواد با حالت جامد فراهم می‌کند. این کار می‌تواند پیامدهایی بر انواع مختلف توانایی‌های آینده از جمله سنجش، ضدعفونی کردن و مواد خود ترمیم شونده داشته باشد.
پلاستیک‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در هنگام استفاده عادی تجزیه نشوند، اما این بدین معنا نیست که پس از دور انداختن تجزیه نشوند. تجزیه پلاستیک‌ها با قابلیت کمپوست ممکن است سال‌ها به طول انجامد که اغلب مدت زمانی نظیر پلاستیک‌های رایج است. تیم‌های تحقیقاتی آنزیم‌های خورنده در مقیاس نانو را مستقیماً در پلاستیک یا مواد دیگر به صورت منزوی جاسازی کردند و تا شرایط مناسب برای آزادسازی از آن‌ها محافظت می‌کند. در سال ۲۰۱۸ این تیم نشان دادند که چگونه این کار در عمل انجام می‌شود. این تیم آنزیمی را در الیاف Mat (حصیر) جاسازی کردند که مواد شیمیایی ارگانوفسفات سمی را تجزیه می‌کند مانند حشره کش‌ها و مواد شیمیایی. هنگامی که حصیر در ماده شیمیایی غوطه‌ور شد، آنزیم تعبیه شده ارگانو فسفات را تجزیه کرد. محققان اذعان داشتند که محافظت از فروپاشی آنزیم که معمولاً توسط پروتئین‌ها در خارج از محیط طبیعی خود مانند سلول زنده انجام می‌شود، منجر به نوآوری اساسی شد.
در مقاله Nature، قرار دادن آنزیم در مولکول‌هایی که آن‌ها را به نام هتروپلیمرهای تصادفی یا RHPها طراحی کرده‌اند به نمایش گذاشته شده است. درست مشابه جاسازی میلیاردها نانوذره در سراسر گرانول‌های پلاستیکی در نقطه آغازین فرآیند پلاستیک. این فرآیند مشابه قرار دادن رنگ‌دانه ها در پلاستیک جهت رنگ آمیزی آن‌ها است.
Dawanne Poree مدیر برنامه ARO گفت: این کار با کشف سال ۲۰۱۸ ترکیب شده که RHPها را به عنوان پایدارکننده‌های آنزیمی بسیار مؤثر نشان می‌دهد. این کار باعث حفظ ساختار آنزیم و فعالیت آن در محیط غیر بیولوژیکی می‌شود. این تحقیق در واقع دروازه از خانواده جدید مواد ترکیبی زیستی-غیر زیستی با کارکردهایی را که فقط در سیستم‌های زنده موجود بوده است، باز می‌کند.
بیش‌تر کره زمین در پلاستیک‌های دور ریخته شده شنا می‌کند که به سلامتی حیوانات و احتمالا انسان آسیب می‌زند. آیا می‌توان آن را تمیز کرد؟
نتایج نشان می‌دهد که آنزیم‌های پوشیده شده با RHP خاصیت پلاستیک را تغییر نمی‌دهند، این ماده می‌تواند مانند پلی‌استرهای معمولی در دمای ۱۷۰ درجه سلسیوس ذوب شده است و به الیاف اکسترود شود.
برای شروع تخریب، تنها افزودن آب و کمی گرما لازم بود. در دمای اتاق، حدود ۸۰% الیاف اصلاح شده به طور کامل تخریب می‌شوند. تخریب در دماهای بالاتر سریع‌تر بود. تحت شرایط صنعتی کمپوست شدن، PLA اصلاح شده ظرف مدت ۶ روز در دمای ۵۰ درجه سلسیوس تخریب شد.
پلی‌استر دیگر (پلی کاپرولاکتون)، طی دو روز در دمای ۴۰ درجه سلسیوس تخریب شد. برای PLA، تیم تحقیقاتی آنزیمی با نام پروتئیناز K را تعبیه کردند که PLA تا تبدیل به لاکتیک اسید می‌جود. برای PCL آن‌ها لیپاز استفاده کردند. هر دو آنزیم ارزان و در دسترس اند.
Ting Xu استاد علوم و مهندسی مواد دانشگاه برکلی، گفت: اگر آنزیم فقط در سطح باشد فرآیند بسیار آهسته خواهد بود. شما می‌خواهید در مقیاس نانو در همه جا توزیع شود تا اساساً هر کدام از آن‌ها تنها نیاز به از بین بردن همایسه پلیمری خود داشته باشد و سپس کل مواد متلاشی شود. Xu گمان می‌کند که درجه حرارت بیش‌تر باعث تحرک بیش‌تر آنزیم پوشیده شده می‌شود و می‌تواند با سرعت بیش‌تری انتهای زنجیر پلیمری را پیدا کند و بجود و سپس به زنجیره بعدی برود. آنزیم‌های پوشیده شده با RHP نیز تمایل دارند در انتهای زنجیره پلیمری متصل شوند و آنزیم‌ها را در نزدیکی اهداف خود نگه دارند.
پلی‌استرهای اصلاح‌شده در دمای پایین یا در طی مدت کوتاه رطوبت تخریب نمی‌شوند. به عنوان مثال یک پیراهن ساخته شده از پلی‌استر با این فرآیند در برابر تعریق و شستشو در دمای متوسط مقاومت می‌کند. خیساندن پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر در آب به مدت سه ماه در دمای اتاق تخریب نمی‌شود، اما خسیاندن در آب ولرم برای مدت زمانی مشابه سبب انجام تخریب می‌شود.
Xu در حال توسعه آنزیم‌های پوشیده شده RHP است که می‌تواند انواع دیگر پلاستیک پلی استر را تخریب کند. اما همچنین RHPها را اصلاح می‌کند تا تخریب برنامه‌ریزی شود تا در یک نقطه مشخص متوقف شده و ماده به طور کامل تخریب نشود. این ممکن است برای فرآیند مجدد پلاستیک و تبدیل به پلاستیک جدید مفید باشد. همچنین افزود: تصور کنید از چسب زیست‌تخریب‌پذیر برای سوار کردن مدارهای رایانه‌ای یا حتی در سرتاسر تلفن و وسایل الکترونیکی استفاده می‌کنید، پس از اتمام کار با آن‌ها چسب را حل می‌کنید تا دستگاه از هم جدا شده و بتوان از قطعات استفاده مجدد کرد.
Poree گفت: این فناوری می‌تواند برای تولید مواد جدید در محیط‌های عملیاتی رو به جلو بسیار مفید باشد. همچنین بیان کرد: به فکر داشتن تجهیزات معیوب و یا قطعات وسیله نقلیه‌ای باشید که بتواند تخریب شده و سپس ساخته شود و یا برای استفاده کاملاً متفاوت مورد استفاده قرار گیرد. این همچنین تاثیرات بالقوه‌ای را برای تولید اعزامی دارد.
منبع خبر: فرا پلیمر پیشرفته
https://www.army.mil/
