La nueva tecnología podría transigir el plástico de los vertederos, los océanos y al contenedor de fertilizante de su patio trasero

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A pesar de nuestros esfuerzos por clasificar y reciclar, menos del 9% del plástico se recicla en los Estados Unidos y la mayoría termina en vertederos o en el medio ambiente.

Las bolsas y contenedores de plástico biodegradables pueden ayudar, pero si no se clasifican correctamente, pueden contaminar n. 1 y n. 2 de lo contrario reciclables. Lo que es peor, la mayoría de los plásticos biodegradables tardan meses en descomponerse, y cuando finalmente lo hacen, forman microplásticos, pequeños trozos de plástico que pueden terminar en los océanos y los cuerpos de los animales, incluido el nuestro.

Ahora, como informa la revista Naturaleza, científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley han diseñado un plástico compostable activado por enzimas que podría reducir la contaminación por microplásticos y es muy prometedor para el reciclaje de plásticos. El material se puede descomponer en sus componentes básicos, pequeñas moléculas individuales llamadas monómeros, y luego reformar en un nuevo producto plástico compostable.

«En la naturaleza, las enzimas son lo que la naturaleza usa para descomponer las cosas, e incluso cuando morimos, las enzimas hacen que nuestros cuerpos se descompongan naturalmente. Así que para este estudio, nos preguntamos: ‘¿Cómo pueden las enzimas biodegradar el plástico para que sea parte de la naturaleza ? «, dijo el autor principal Ting Xu, que ostenta los títulos de científico principal de la facultad en la División de Ciencia de Materiales en Berkeley Lab y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Berkeley.

En Berkeley Lab, Xu, que durante casi 15 años ha dedicado su carrera al desarrollo de materiales poliméricos funcionales inspirados en la naturaleza, dirige un equipo interdisciplinario de científicos e ingenieros de universidades y laboratorios nacionales de todo el país para abordar el problema creciente. tanto de plásticos de un solo uso como de los denominados plásticos biodegradables.

La mayoría de los plásticos biodegradables que se utilizan hoy en día generalmente están hechos de ácido poliláctico (PLA), un material plástico de origen vegetal mezclado con almidón de maíz. También está la policaprolactona (PCL), un poliéster biodegradable ampliamente utilizado para aplicaciones biomédicas como la ingeniería de tejidos.

Pero el problema con los plásticos biodegradables convencionales es que no se pueden distinguir de los plásticos de un solo uso como las películas plásticas, por lo que una buena parte de estos materiales terminan en vertederos. E incluso si un recipiente de plástico biodegradable se deposita en una instalación de desechos orgánicos, no se puede romper tan rápido como la ensalada del almuerzo que alguna vez contenía, por lo que termina contaminando los desechos orgánicos, dijo la coautora Corinne Scown, científica de el personal y subdirector de la División de Investigación, Análisis Energético e Impactos Ambientales en el área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab.

Otro problema con los plásticos biodegradables es que no son tan fuertes como los plásticos normales, por lo que no puede llevar artículos pesados ​​en una bolsa de abono verde estándar. La compensación es que el plástico biodegradable puede descomponerse con el tiempo, pero aún así, dijo Xu, solo se descompone en microplásticos, que siguen siendo plásticos, solo que mucho más pequeños.

Así que Xu y su equipo decidieron adoptar un enfoque diferente, «nanoconfinar» las enzimas en el plástico.

Pon las enzimas a trabajar

Dado que las enzimas son parte de los sistemas vivos, el truco sería crear un lugar seguro en el plástico para que las enzimas permanezcan inactivas hasta que entren en acción.

En una serie de experimentos, Xu y sus coautores incorporaron trazas de las enzimas comerciales Burkholderia cepacian lipasa (BC-lipasa) y proteinasa K en plásticos PLA y PCL. Los científicos también agregaron una enzima protectora llamada heteropolímero aleatorio de cuatro monómeros, o RHP, para ayudar a dispersar las enzimas en nanómetros (mil millonésimas de metro) entre sí.

En un resultado asombroso, los científicos descubrieron que el agua corriente del grifo o el abono ordinario del suelo convertía el material plástico con enzimas incrustadas en bloques de pequeñas moléculas llamadas monómeros y eliminaba los microplásticos en días o semanas.

También aprendieron que la BC-lipasa es una especie de comensal quisquilloso. Antes de que una lipasa pueda convertir una cadena de polímero en monómeros, primero debe capturar el extremo de una cadena de polímero. Al verificar cuándo la lipasa encuentra el final de la cadena, se puede garantizar que los materiales no se degraden hasta que se activen con agua caliente o tierra de abono, explicó Xu.

Además, encontraron que esta estrategia solo funciona cuando la BC-lipasa es nanodispersa, en este caso, solo 0.02% en peso en el bloque PCL, en lugar de lanzarse y mezclarse al azar.

«La nanodispersión pone en funcionamiento todas las moléculas de enzima, nada se desperdicia», dijo Xu.

Y esto es importante al considerar los costos. Las enzimas industriales pueden costar alrededor de $ 10 por kilogramo, pero este nuevo enfoque solo agregaría unos centavos al costo de fabricación de un kilogramo de resina porque la cantidad de enzimas requeridas es muy baja y el material tiene una vida útil de más de 7 meses. – añadió Scown.

La prueba está en el abono

Los estudios de difusión de rayos X realizados en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab caracterizaron la nanodispersión de enzimas en plásticos PCL y PLA.

Los experimentos de tensión interfacial llevados a cabo por el coautor Tom Russell revelaron en tiempo real cómo el tamaño y la forma de las gotas cambiaban a medida que el material plástico se descomponía en moléculas distintas. Los resultados de laboratorio también diferenciaron entre moléculas enzimáticas y RHP.

«La prueba interfacial proporciona información sobre cómo está progresando la degradación», dijo. «Pero la prueba está en el compostaje: Ting y su equipo han recuperado con éxito monómeros plásticos de plásticos biodegradables simplemente usando RHP, agua y tierra».

Russell es un científico de la facultad visitante y profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts que dirige el programa Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids en la División de Ciencia de Materiales de Berkeley Lab.

El desarrollo de una película de plástico muy asequible y fácilmente compostable podría incentivar a los productores de frutas y verduras a envasar frutas y verduras frescas con plástico compostable en lugar de envoltura de plástico de un solo uso y, como resultado, ahorrarle a las instalaciones de desechos orgánicos el gasto adicional de invertir en plástico costoso. máquinas de envasado cuando quieran aceptar residuos de alimentos para la digestión anaeróbica o el compostaje, dijo Scown.

Como su enfoque podría funcionar bien con plásticos rígidos y duros y plásticos blandos y flexibles, a Xu le gustaría expandir su estudio a las poliolefinas, una familia omnipresente de plásticos que se utilizan comúnmente para fabricar juguetes y productos electrónicos.

El plástico verdaderamente compostable del equipo pronto estará en los estantes. Recientemente presentaron una solicitud de patente a través de la Oficina de Patentes de UC Berkeley. Y el coautor Aaron Hall, quien era un Ph.D. Como estudiante de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley en el momento del estudio, fundó la startup Intropic Materials de UC Berkeley para desarrollar aún más la nueva tecnología. Recientemente fue seleccionado para participar en Cyclotron Road, un programa de becas para emprendedores en asociación con Activate.

«Cuando se trata de resolver el problema de los plásticos, es nuestra responsabilidad ambiental poner la naturaleza en su camino. Al prescribir un mapa molecular con enzimas al volante, nuestro estudio es un buen comienzo», dijo Xu.

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