Biobaserad plast som polymjölksyra (PLA) uppfanns för att hjälpa till att lösa plastavfallskrisen, men de gör ofta avfallshanteringen mer utmanande.
Eftersom dessa material ser ut och känns så lika konventionella, petroleumbaserade plaster, hamnar många produkter inte i komposter, där de går sönder som de är designade, utan istället läggs till återvinningsströmmen av välmenande konsumenter. Där strimlas produkterna och smälts ner med den återvinningsbara plasten, vilket försämrar kvaliteten på blandningen och gör det svårare att tillverka funktionella produkter av återvunnet plastharts.
Den enda lösningen för närvarande är att försöka separera de olika plasterna vid återvinningsanläggningar. Men även med de mest avancerade, automatiserade sorteringsverktygen, förorenar vissa biobaserade plaster de sorterade strömmarna.
Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Joint BioEnergy Institute (JBEI) samarbetar med X – moonshot-inkubatorn som leds av Alphabet, Googles moderbolag – för att inte bara hoppa över det problematiska separationssteget, utan också göra slutprodukten bättre för planeten.
Teamet har uppfunnit en enkel "one pot"-process för att bryta ner blandningar av petroleumbaserad och biobaserad plast med naturligt härledda saltlösningar parade med specialiserade mikrober. I ett enda kar fungerar salterna som en katalysator för att bryta ner materialen från polymerer, stora strukturer av repeterande molekyler bundna samman, till de individuella molekylerna som kallas monomerer, som mikroberna sedan jäser till en ny typ av biologiskt nedbrytbar polymer som kan göras till färska råvaror. Processen beskrivs i en One Earth tidning publicerad 17 november.
"Det är lite ironiskt eftersom syftet med att använda biobaserad plast är att vara mer hållbart, men det orsakar problem", säger förstaförfattaren Chang Dou, senior vetenskaplig ingenjörsassistent vid Advanced Biofuels and Bioproducts Process Development Unit (ABPDU) på Berkeley Lab.
Dou utsågs nyligen till en av American Institute of Chemical Engineers 35 Under 35. "Vårt projekt försöker komma runt separationsfrågan och göra det så att du inte behöver oroa dig för om du blandar din återvinningskärl. Du kan lägga all plast i en hink."
Förutom att effektivisera återvinningen kan teamets tillvägagångssätt möjliggöra biobaserad tillverkning av andra värdefulla produkter med användning av samma bakterier som glatt mumsar på plastmonomerer. Föreställ dig en värld där biobränslen eller till och med mediciner kan tillverkas av plastavfall – av vilket det finns cirka 8,3 miljarder ton på deponier.
"Det pågår en öppen diskussion om huruvida vi kan använda plastavfall som en kolkälla för biotillverkning. Det är en mycket avancerad idé. Men vi bevisade att med avfallsplast kan vi mata mikrober. Med fler genteknikverktyg kan mikrober kanske att växa på flera typer av plast samtidigt. Vi ser potentialen att fortsätta denna studie där vi kan ersätta sockerarterna, traditionella kolkällor för mikrober, med den bearbetade svåråtervinningsbara blandade plasten som kan omvandlas till värdefulla produkter. genom jäsning", säger Zilong Wang, en postdoktor vid UC Berkeley som arbetar vid JBEI.
Berkeley Lab-forskarnas nästa steg är att experimentera med andra organiska saltkatalysatorer för att försöka hitta en som både är mycket effektiv på att bryta ner polymerer och som kan återanvändas i flera partier för att sänka kostnaderna. De modellerar också hur processen skulle fungera i de stora skalorna av verkliga återvinningsanläggningar.
I sin uppsats visade forskarna potentialen i deras tillvägagångssätt i laboratorieexperiment i bänkskala med blandningar av polyetylentereftalat (PET) - den vanligaste petroleumbaserade plasten, som används i saker som vattenflaskor och spunnen till polyesterfibrer - och PLA, den vanligaste biobaserade plasten.
De använde en aminosyrabaserad saltkatalysator som tidigare utvecklats av kollegor vid JBEI och en stam av Pseudomonas putida som konstruerats av forskare vid Oak Ridge National Laboratory.
Denna kombination bröt framgångsrikt ned 95 % av PET/PLA-blandningen och omvandlade molekylerna till en typ av polyhydroxialkanoat (PHA) polymer. PHA är en ny klass av biologiskt nedbrytbara plastersättningar designade för att effektivt bryta ner i en mängd olika naturliga miljöer, till skillnad från petroleumbaserad plast.
Teammedlem Hemant Choudhary noterade att även om deras kemiska återvinningsprocess för närvarande endast är bevisad för PET-plast som är förorenad med biologiskt nedbrytbar PLA, skulle den fortfarande vara fördelaktig för de olika plastströmmar som finns i verkliga återvinningsanläggningar.
"Det kan integreras helt med befintliga plastkällor", säger Choudhary, en forskare från Sandia National Laboratories som arbetar på JBEI. De flesta kommersiella produkter är inte bara en sorts plast, utan en handfull olika sorter i kombination, förklarade han. Till exempel är en fleecejacka gjord av PET-baserade polyestrar tillsammans med polyolefiner eller polyamider.
"Vi kan slänga det i vår one-pot process och enkelt bearbeta polyesterkomponenten från den blandningen och omvandla den till en bioplast. Dessa monomerer är lösliga i vatten, men de överblivna delarna, polyolefinerna eller polyamiderna, är det inte." Resterna kan enkelt tas bort genom enkel filtrering och sedan skickas iväg till en traditionell mekanisk återvinningsprocess där materialet rivs och smälts, sa Choudhary.
"Kemisk återvinning har varit ett hett ämne, men det är svårt att få det att hända i kommersiell skala eftersom alla separationssteg är så dyra", säger Ning Sun, en stabsforskare vid ABPDU, huvudförfattare och huvudutredare för detta projekt .
"Men genom att använda en biokompatibel katalysator i vatten kan mikroberna direkt omvandla de depolymeriserade plasterna utan extra separationssteg. Dessa resultat är mycket spännande, även om vi erkänner att ett antal förbättringar fortfarande behövs för att realisera den ekonomiska bärkraften av den utvecklade processen. "
Medförfattarna Nawa R. Baral och Corinne Scown, experter på teknoekonomisk analys inom JBEI och Berkeley Labs biovetenskapsområde, visade också att processen, när den väl har optimerats med en återanvändbar saltlösning, kan minska kostnaderna och koldioxidavtrycket för PHA med 62 % och 29 %, respektive jämfört med dagens kommersiella PHA-produktion.
Mer information: Ning Sun et al, En hybrid kemisk-biologisk metod kan återvinna blandat plastavfall med minskade kostnader och koldioxidavtryck, One Earth (2023). DOI:10.1016/j.oneear.2023.10.015. www.cell.com/one-earth/fulltex … 2590-3322(23)00490-6
Journalinformation: En jord
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
