Исследователи разработали процесс разрушения смеси обычного и биологического пластика, которая попадает в центры переработки.

17 ноября 2023 г.

Пластики на биологической основе, такие как полимолочная кислота (PLA), были изобретены, чтобы помочь решить проблему пластиковых отходов, но они часто усложняют управление отходами. Поскольку эти материалы выглядят и ощущаются очень похожими на обычные пластмассы на нефтяной основе, многие продукты в конечном итоге не попадают в компостеры, где они разлагаются, как задумано, а вместо этого добавляются в поток переработки благонамеренными потребителями. Там изделия измельчаются и расплавляются вместе с пригодным для вторичной переработки пластиком, что снижает качество смеси и затрудняет производство функциональных продуктов из переработанной пластиковой смолы. Единственное решение на данный момент — попытаться разделить различные виды пластика на предприятиях по переработке. Тем не менее, даже при использовании самых современных автоматизированных сортировочных инструментов некоторые виды пластика на биологической основе в конечном итоге загрязняют отсортированные потоки.

Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Лаборатория Беркли) и Объединенного института биоэнергетики (JBEI) сотрудничают с X — лунным инкубатором, возглавляемым Alphabet, материнской компанией Google, — чтобы не только пропустить проблемный этап разделения, но и улучшить конечный продукт. для планеты. 

Команда изобрела простой процесс «одного горшка» для разрушения смесей пластиков на нефтяной и биологической основе с использованием растворов солей природного происхождения в сочетании со специализированными микробами. В одной ванне соли действуют как катализатор, расщепляя материалы из полимеров, крупных структур повторяющихся молекул, связанных вместе, на отдельные молекулы, называемые мономерами, которые микробы затем ферментируют в новый тип биоразлагаемого полимера, который можно производить. в свежую товарную продукцию. Этот процесс описан в опубликованной сегодня статье One Earth .

«Это своего рода ирония, потому что цель использования пластиков на биологической основе — повысить экологичность, но это вызывает проблемы», — сказал первый автор Чанг Доу, старший научный сотрудник Отдела разработки передовых процессов биотоплива и биопродуктов (ABPDU) в Лаборатория Беркли. Доу недавно был включен в список « 35 человек до 35 лет» Американского института инженеров-химиков . «Наш проект пытается обойти проблему разделения и сделать так, чтобы вам не приходилось беспокоиться о том, смешаете ли вы мусорную корзину. Вы можете положить весь пластик в одно ведро». 

Помимо оптимизации переработки, подход команды может позволить производить на биологической основе другие ценные продукты с использованием тех же бактерий, которые с удовольствием поедают пластиковые мономеры. Представьте себе мир, в котором биотопливо или даже лекарства можно было бы производить из пластиковых отходов, около 8,3 миллиардов тонн которых лежат на свалках.  

«Идет открытая дискуссия о том, можем ли мы использовать пластиковые отходы в качестве источника углерода для биопроизводства. Это очень продвинутая идея. Но мы доказали, что, используя отходы пластика, можно кормить микробы. Благодаря большему количеству инструментов генной инженерии микробы смогут расти на нескольких типах пластика одновременно. Мы предвидим возможность продолжения этого исследования, в ходе которого мы сможем заменить сахара, традиционные источники углерода для микробов, переработанными трудно поддающимися вторичной переработке смешанными пластиками, которые можно превратить в ценные продукты посредством ферментации», — сказал Зилонг ​​Ван, постдокторант Калифорнийского университета в Беркли . исследователь, работающий в JBEI. 

Следующим шагом ученых из лаборатории Беркли станут эксперименты с другими катализаторами на основе органических солей, чтобы попытаться найти тот, который будет одновременно высокоэффективен при расщеплении полимеров и может быть повторно использован в нескольких партиях для снижения затрат. Они также моделируют, как этот процесс будет работать на крупных реальных предприятиях по переработке отходов.

Графика, демонстрирующая упрощенный процесс, разработанный учеными в одном сосуде. (Фото: Бьянка Сусара/Лаборатория Беркли)В своей недавней статье ученые продемонстрировали потенциал своего подхода в лабораторных лабораторных экспериментах со смесями полиэтилентерефталата (ПЭТ) – наиболее распространенного пластика на нефтяной основе, используемого в таких вещах, как бутылки для воды, и формования полиэфирных волокон – и PLA. , наиболее распространенный пластик на биологической основе. 

Они использовали солевой катализатор на основе аминокислот, ранее разработанный коллегами из JBEI, и штамм Pseudomonas putida , созданный учеными из Окриджской национальной лаборатории. Эта комбинация успешно разрушила 95% смеси ПЭТ/ПЛА и превратила молекулы в полимер полигидроксиалканоата (ПГА). PHA — это новый класс биоразлагаемых заменителей пластика, предназначенных для эффективного разложения в различных природных средах, в отличие от пластиков на основе нефти.

Член команды Хемант Чоудхари отметил, что, хотя их процесс химической переработки в настоящее время проверен только для ПЭТ-пластиков, загрязненных биоразлагаемым ПЛА, он все равно будет полезен для разнообразных потоков пластика, встречающихся на реальных предприятиях по переработке. «Он может быть полностью интегрирован с существующими источниками пластика», — сказал Чоудхари, научный сотрудник Sandia National Laboratories, работающий в JBEI. По его словам, большинство коммерческих продуктов представляют собой не один вид пластика, а несколько разных видов вместе взятых. Например, флисовая куртка изготавливается из полиэфиров на основе ПЭТ наряду с полиолефинами или полиамидами. «Мы можем использовать его в нашем однореакторном процессе, легко перерабатывать полиэфирный компонент из этой смеси и превращать его в биопластик. Эти мономеры растворимы в воде, а оставшиеся части — полиолефины или полиамиды — нет». Остатки можно легко удалить простой фильтрацией, а затем отправить на традиционный процесс механической переработки, при котором материал измельчается и плавится, говорит Чоудхари. 

«Химическая переработка была горячей темой, но ее сложно осуществить в коммерческом масштабе, потому что все этапы разделения очень дороги», — сказал Нин Сун, научный сотрудник ABPDU, ведущий автор и главный исследователь этого проекта. . «Но, используя биосовместимый катализатор в воде, микробы могут напрямую преобразовывать деполимеризованный пластик без дополнительных этапов разделения. Эти результаты очень интересны, хотя мы признаем, что для реализации экономической жизнеспособности разработанного процесса все еще необходим ряд улучшений. »

Соавторы Нава Р. Барал и Корин Скаун, эксперты по технико-экономическому анализу из JBEI и отдела биологических наук лаборатории Беркли, также продемонстрировали, что после оптимизации с помощью солевого раствора многократного использования процесс может снизить стоимость и углеродный след PHA на 62% и 29 % соответственно по сравнению с сегодняшним коммерческим производством ПГА.

JBEI — это исследовательский центр биоэнергетики Министерства энергетики (DOE), которым управляет лаборатория Беркли. ABPDU — это центр сотрудничества, поддерживаемый Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США.

# # #

Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, основанная в 1931 году с убеждением, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются коллективом,   была удостоена 16 Нобелевских премий. Сегодня исследователи Лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые решения в области энергетики и окружающей среды, создают новые полезные материалы, расширяют границы вычислительной техники и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на возможности лаборатории в своих собственных открытиях. Лаборатория Беркли — это многопрограммная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США. Управление науки Министерства энергетики является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени.