Das schmelzextrudierte Polycaprolactonfilament (links) mit eingebetteten Lipase-Nanoclustern aus RHP wurde in 36 Stunden in warmem Wasser (ca. 40 ℃) fast vollständig in kleine Moleküle zersetzt. Fotoquelle: Physikernetzwerk
Biologisch abbaubare Kunststoffe galten schon immer als Lösung für das Problem der Plastikverschmutzung, doch heute bestehen die meisten „kompostierbaren“ Plastiktüten hauptsächlich aus Polymilchsäure (PLA), die im Kompostierungsprozess nicht zersetzt wird und andere recycelbare Kunststoffe verschmutzt. Laut der neuesten Forschung, die am 21. in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben amerikanische Wissenschaftler jedoch ein neues Verfahren erfunden: Durch die Verwendung von nur Hitze und Wasser können diese kompostierbaren Kunststoffe leichter zersetzt werden.
Zuvor hatten Xu Ting, Professorin für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of California in Berkeley, und ihr Forschungsteam ein Enzym entdeckt, das giftige Organophosphorchemikalien abbauen kann. Sie entwickelten außerdem ein Molekül namens Random Heteropolymer oder RHP, das das Enzym einkapselt und es sanft binden kann, ohne seine natürliche Zähigkeit einzuschränken, um das Enzym vor dem Zerfall zu schützen. RHP besteht aus vier Arten monomerer Untereinheiten, von denen jede die chemische Eigenschaft besitzt, mit chemischen Gruppen auf der Oberfläche eines bestimmten Enzyms zu interagieren. Sie zersetzen sich unter ultraviolettem Licht und sind in Konzentrationen von weniger als % bezogen auf das Gewicht des Kunststoffs vorhanden.
In dieser Studie verwendete das Forschungsteam eine ähnliche Technologie. Bei der Herstellung von Kunststoffen hüllten sie Milliarden Enzyme aus nanoskaligem essbarem Polyester in RHP und betteten sie dann in Kunststoffharzkügelchen ein.
Es wurde festgestellt, dass das mit RHP beschichtete Enzym die Eigenschaften von Kunststoffen nicht veränderte. Bei Kontakt mit Hitze und Wasser löst sich das Enzym vom polymerbeschichteten Material und zersetzt das Kunststoffpolymer. Kunststoff kann bei etwa 170 Grad Celsius schmelzen und Fasern wie gewöhnlicher Polyesterkunststoff extrudieren. Im Fall von PLA reduziert das Enzym es zu Milchsäure, die die Bodenmikroorganismen im Kompost „ernähren“ kann. Das polymerbeschichtete Material wird ebenfalls abgebaut.
Für PLA verwendeten die Forscher ein Enzym namens Protease K, das PLA in Milchsäuremoleküle zerlegt; für PCL wurde Lipase verwendet. Diese beiden Enzyme sind billig und leicht zu beschaffen.
Um den Abbau von Kunststoffen einzuleiten, sind nur Wasser und eine geringe Menge Wärme erforderlich. Bei Raumtemperatur waren 80% der modifizierten PLA-Fasern innerhalb einer Woche vollständig abgebaut. Je höher die Temperatur, desto schneller die Abbaurate. Unter den Bedingungen der industriellen Kompostierung war das modifizierte PLA innerhalb von 6 Tagen bei 50 °C abgebaut. Eine andere Art von Polyesterkunststoff PCL war unter den Bedingungen der industriellen Kompostierung bei 40 °C innerhalb von zwei Tagen abgebaut.
Bis zu 98% des durch diesen Prozess erzeugten Kunststoffs zerfällt in kleine Moleküle. Und dieser Prozess vermeidet die Produktion von Mikroplastik.
Die Forscher sagten, dass der modifizierte Polyester bei niedrigen Temperaturen oder während kurzer Feuchtigkeitsperioden nicht zerfällt. Er kann durch Einweichen in warmem Wasser abgebaut werden, was bedeutet, dass der Kunststoff zu Hause kompostiert werden kann (Praktikant-Reporter (Zhang Jiaxin))
Quelle: Science and Technology Daily
