تاثیر آنزیم‌ها بر خواص چندگانه پلاستیک‌ها

آنزیم‌ها که واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند می‌توانند کارکرد را به پلاستیک‌ها اضافه کنند درصورتی‌که بتوان آن‌ها را از دمای فرآیندی بالا محافظت کرد.
آنزیم‌ها کاتالیزورهای بیولوژیکی هستند. آن‌ها واکنش‌های شیمیایی را در بدن راه می‌اندازند مانند واکنش دخیل در هضم که در غیر این صورت فرآیند هضم بسیار طولانی‌تر یا به دمای بالاتری نیاز دارد. آنزیم‌ها می‌توانند عملکرد را به پلاستیک‌ها بی افزایند مانند خود تمیز شوندگی، توانایی مقاومت در برابر قالب یا باکتری‌ها و قابلیت خود تخریبی (زیست‌تخریب‌پذیری). بااین‌حال آنزیم‌ها زیاد به حرارت حساس نیستند و پلاستیک‌ها معمولاً در دمای بالا فرآیند می‌شوند. این امر ترکیب آنزیم‌ها با پلاستیک‌ها را سخت می‌کند. در حال حاضر دانشمندان در موسسه Fraunhofer برای تحقیقات کاربردی پلیمر (IAP) در آلمان راهی برای انجام این کار بدون از بین بردن عملکرد آنزیم‌ها پیدا کردند. هدف آن‌ها تبدیل به فرآیند صنعتی است. Ruben Rosencrantz، رئیس بخش مواد عامل دار و بخش گلیکوبیوتکنولوژی Fraunhofer IAP در این زمینه گفت: ما به دنبال تولید پلاستیک‌های زیستی عامل دار شده در مقیاس آزمایشگاهی نیستیم. ما می‌خواهیم نشان دهیم که تولید فنی آن امکان‌پذیر است. سازمان تقریباً در نیمه‌راه پروژه تحقیقاتی است که در سال 2018 آغاز شد. محققان از حامل‌های معدنی بسیار متخلخل جهت تثبیت و محافظت از آنزیم‌ها استفاده می‌کنند. آنزیم‌ها با جاسازی خود در منافذ به حامل‌ها متصل می‌شوند. Rosencrantz  افزود: اگرچه تحرک آنزیم‌ها را محدود می‌کند اما آن‌ها فعال می‌مانند و قادر به تحمل دمای بالاتر هستند. بااین‌حال یک فرآیند واحد وجود ندارد که در همه موارد کار کند. همچنین می‌گوید: حامل باید به‌طور خاص برای هر آنزیم انتخاب شود زیرا دو آنزیم شبیه هم نیستند. استفاده از آنزیم پایدار شده در توده پلاستیک نه‌فقط در سطح دشوارتر است. ماندگاری طولانی‌تری دارد و از علائم سایش سطح جلوگیری می‌کند. برای دستیابی به بهترین نتیجه در فرآیند پایین‌دست، آنزیم تثبیت‌شده باید به‌سرعت مذاب پلاستیک داغ توزیع شود؛ بنابراین در معرض نیرو یا دمای زیاد قرار نگیرد. محققان فرآیندی را توسعه دادند که هم برای پلاستیک‌های زیستی و هم برای پلاستیک‌های معمولی پایه نفتی مانند پلی‌اتیلن اعمال می‌شود. Thomas Büsse رئیس واحد آزمایشگاه صنعتی پلیمرهای زیستی Fraunhofer IAP در Schwarzheide گفت: به هنگام جاسازی در پلاستیک، آنزیم‌های تثبیت‌شده می‌توانند بارهای حرارتی بالاتری را نسبت به قبل تحمل کنند. این کار استفاده از آنزیم‌ها و تمام مراحل فرآیند را بسیار آسان‌تر می‌کند. تاکنون تمرکز محققان بر روی آنزیم‌هایی بوده است و پروتئاز نامیده می‌شود که پروتئین‌ها را تجزیه می‌کند. پلاستیک‌های جاسازی‌شده با پروتئازها می‌توانند اثر خود تمیز شوندگی داشته باشند مانند لوله‌هایی که در برابر انسداد (گرفتگی) مقاومت می‌کنند. بااین‌حال این تیم در حال آزمایش آنزیم‌های دیگر نیز هستند. شرکای پروژه در BTU Cottbus-Senftenberg بر آنزیم‌هایی که پلاستیک‌ها و مواد سمی را تجزیه کرده تمرکز می‌کنند. اولین گرانول‌ها و فیلم‌های عامل دار شده قبلاً تولیدشده است. محققان نیز آنزیم‌های تعبیه‌شده در این محصولات را ایجاد کردند که فعال باقی می‌مانند. آن‌ها ثبت اختراعی را برای این تحقیق ارائه کردند.

 

تحقیق سبز

هم‌زمان تحقیق در مورد پلاستیک‌های سبز پررونق است. همچنین مواد زیستی نظیر پلی‌اتیلن سبز Braskem که از نیشکر نسبت به نفت خام ساخته‌شده است. علاقه مداوم به پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و قابل کمپوست وجود دارد. این مواد معمولاً اما نه همیشه از منابع پایدار ساخته‌شده‌اند. بااین‌حال پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و قابل کمپوست عموماً تنها در شرایط خاص مانند کپوست سازی صنعتی تجزیه می‌شوند. این بدان معنی است که اگر این مواد به محیط‌زیست یا سراچه‌های دفن زباله راه یابند تجزیه نخواهند شد. این‌یکی از دلایل ادامه تحقیقات است که چگونه پلاستیک‌ها را می‌توان مهندسی کرد تا مؤثرتر تجزیه شوند. یکی از رویدادهای نوظهور استفاده از پلاستیک‌هایی است که مولکول‌های پلاستیک را هضم می‌کنند.

 رویکرد تعبیه‌شده

محققان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی راهی را برای جاسازی آنزیم‌ها در پلاستیک ابداع کرده‌اند تا سریع‌تر تجزیه شوند. دانشمندان به رهبری Ting Xu از بخش علم و مهندسی مواد فرآیند را به پلی لاکتیک اسید (PLA)  اعمال کردند. معمولاً به‌منظور افزایش سرعت تخریب از پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر استفاده می‌شود. XU می‌گوید بسیاری از موارد ساخته‌شده به سراچه‌های دفن زباله ختم می‌شوند جایی که تخریب زیستی نمی‌شوند. این فرآیند شامل تعبیه آنزیم پلی‌استری به درون توده‌‌ی پلیمری است که تولید می‌شود. یک‌لایه پلیمری محافظ تضمین می‌کند که آنزیم تا زمانی که به آن نیاز نباشد غیرفعال می‌ماند. حرارت و آب پوسته محافظ را از بین می‌برد سپس به آنزیم اجازه می‌دهد تا قسمت عمده توده پلیمر را تجزیه کند. به‌عنوان‌مثال پلی لاکتیک اسید به اسیدلاکتیک تجزیه می‌شود که می‌تواند میکروب‌های خاک را در کمپوست تغذیه کند. پوسته‌ی محافظی که همراه با توده پلاستیک تخریب می‌شود مولکولی به نام مترو پلیمر تصادفی (RHP) است. از چهار نوع زیر واحد منومری ساخته‌شده است که خواص شیمیایی هرکدام برای برهمکنش با گروه‌های شیمیایی سطح آنزیم خاص طراحی‌شده است. تحت اشعه ماوراءبنفش (UV) و در غلظت موجود کمتر از 1% وزن پلاستیک تخریب می‌شوند (برای این‌که مشکلی نباشد مقدار کم کافی است). در تحقیقی که در Nature منتشر شد این تیم میلیاردها نانوذره را در گرانول‌های پلاستیک جاسازی کرد. مقاله نشان داد که آنزیم‌های محافظت‌شده با RHP ماهیت پلاستیک‌ها را تغییر ندادند که هنوز می‌توان در دمای حدود 170 درجه به الیاف تبدیل شوند.XU گفت: اگر آنزیم را تنها روی سطح دارید خورندگی بسیار آهسته است. شما توزیع در مقیاس نانو را در سرتاسر می‌خواهید؛ به‌طوری‌که هر مولکول همسایگان پلیمری خود را می‌خورد و کل مواد متلاشی می‌شود.

آب و گرما

تخریب با افزودن آب و گرما آغاز می‌شود. در دمای اتاق در عرض یک هفته 80% از الیاف PLA اصلاح‌شده به‌طور کامل تجزیه می‌شوند. این فرآیند در دمای بالاتر سریع‌تر بود: تحت شرایط کمپوست صنعتی PLA اصلاح‌شده طی 6 روز در دمای 50 درجه تخریب شد. پلی‌استر دیگر، پلی کاپرولاکتون (PCL) تحت شرایط کمپوست صنعتی طی دو روز و در دمای 40 درجه تخریب شد. برای پلی لاکتیک اسید ، XU آنزیمی بانام پروتئیناز k را جاسازی کرد که PLA را به اسیدلاکتیک تجزیه می‌کند. برای PCL از لیپاز استفاده کرد. هر دو آنزیم ارزان و معمولاً در دسترس هستند. Xu متعقد است که دمای بالاتر سبب تحرک بیشتر آنزیم محافظت‌شده می‌شود. به آن اجازه می‌دهد انتهای زنجیره پلیمری را به‌سرعت پیدا کند و آن را تخریب کند سپس سراغ زنجیره بعدی برود. آنزیم‌های پوشش داده‌شده با RHP تمایل به اتصال به انتهای زنجیره پلیمری رادارند، نگه‌داشتن آنزیم‎ها در نزدیکی اهدافشان. به گفته‌ی XU پلیمرهای اصلاح‌شده در دماهای پایین‌تر یا مدت رطوبت کم تجزیه نمی‌شوند. یک پیراهن پلی‌استر در مقابل عرق و شستشو در دمای متوسط مقاومت می‌کند. غوطه‌وری در آب دمای اتاق به مدت سه ماه باعث تخریب پلاستیک نمی‌شود. بااین‌حال خیساندن در آب ولرم مانند آب شیر داغ منجر به تخریب شد. XU درحال‌توسعه آنزیم‌های پوشش داده‌شده با RHP است که می‌تواند انواع دیگر پلی‌استر‌ها را تخریب کند. اما او همچنین RHP ها را اصلاح می‌کند تا بتواند تخریب را برنامه‌ریزی کند تا در یک نقطه مشخص متوقف شود و مواد را به‌طور کامل از بین نبرد. او گفت: درصورتی‌که پلاستیک نیاز به ذوب مجدد و بازیافت داشته باشد می‌تواند مفید باشد. علاوه بر این‌یکی از نویسندگان همکار این مطالعه Aaron Hall دانشجوی دکترا دانشگاه برکلی یک شرکت برای توسعه بیشتر این مواد ایجاد کرده است. این ثابت می‌کند که آنزیم‌ها برای زیست‌شناسی حیاتی هستند. آن‌ها در توسعه پلاستیک‌های جدید اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند.