تجزیه پلاستیک زیست تخریب پذیر با استفاده از گرما و آب
دانشمندان آمریکا، راهی ابداع کردند تا پلاستیک‌ها باقابلیت کمپوست را طی چند هفته تنها با آب و گرما تجزیه کنند. این پیشرفت به‌طور بالقوه چالش‌های مدیریت پسماند را در پایگاه‌های عملیاتی پیش رو برطرف می‌کند و پیشرفت‌های فناوری بیش‌تری را به سربازان آمریکایی ارائه می‌دهد. فرآیند جدید که توسط محققان دانشگاه‌های کالیفرنیا، برکلی، ماساچوست آمهرست توسعه داده‌شده است شامل جاسازی آنزیم‌های خورنده پلی‌استر به هنگام ساخت است. به هنگام قرارگیری در معرض آب و گرما، آنزیم پوشش پلیمری خود را تکان می‌دهد و شروع به چنگ زدن به پلیمر پلاستیکی در بلوک‌های سازنده خود می‌کند. در مورد پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر در درجه اول پلی‌استر شناخته‌شده مانند PLA، آن را به لاکتیک اسید کاهش می‌دهد و می‌تواند سبب تغذیه میکروب‌های خاک در کمپوست شود. در این حالت نیز لفاف پلیمر (Polymer wrapping) تخریب می‌شود. این فرآیند که در Nature منتشرشده است، نشان می‌دهد که میکروپلاست‌ها که محصول جانبی بسیاری از فرآیندهای تخریب شیمیایی بوده و به‌خودی‌خود آلوده‌کننده است را از بین می‌برد. با استفاده از این روش تا 98% پلاستیک ساخته‌شده به مولکول‌های کوچک تجزیه می‌شوند.
به گفته Stephanie McElhinny مدیر برنامه دفتر تحقیقات ارتش، این نتایج اساسی را برای طراحی منطقی مواد پلیمری ارائه می‌دهد که می‌توانند در بازه زمانی نسبتاً کوتاه تخریب شوند. همچنین قابلیت فراهم کردن مزایای قابل‌توجهی برای مدیریت پسماند تدارکات ارتش را دارد. به‌طور گسترده‌تر، این نتایج بینشی را در مورد ترکیب زیست مولکول‌های فعال در مواد باحالت جامد فراهم می‌کند. این کار می‌تواند پیامدهایی بر انواع مختلف توانایی‌های آینده ارتش ازجمله سنجش، ضدعفونی کردن و مواد خودترمیم شونده داشته باشد.
پلاستیک‌ها به‌گونه‌ای طراحی‌شده‌اند که در هنگام استفاده عادی تجزیه نشوند، اما این بدین معنا نیست که پس از دور انداختن تجزیه نشوند. تجزیه پلاستیک‌ها باقابلیت کمپوست ممکن است سال‌ها به طول انجامد که اغلب مدت‌زمانی نظیر پلاستیک‌های رایج است. گروه‌های تحقیقاتی آنزیم‌های خورنده در مقیاس نانو را مستقیماً در پلاستیک یا مواد دیگر به‌صورت منزوی جاسازی کردند و تا شرایط مناسب برای آزادسازی از آن‌ها محافظت می‌کند. در سال 2018 این تیم نشان دادند که چگونه این کار در عمل انجام می‌شود. این تیم آنزیمی را در الیاف Mat (حصیر) جاسازی کردند که مواد شیمیایی ارگانوفسفات سمی را تجزیه می‌کند مانند حشره‌کش‌ها و مواد شیمیایی. هنگامی‌که حصیر در ماده شیمیایی غوطه‌ور شد، آنزیم تعبیه‌شده ارگانو فسفات را تجزیه کرد. محققان اذعان داشتند که محافظت از فروپاشی آنزیم که معمولاً توسط پروتئین‌ها در خارج از محیط طبیعی خود مانند سلول زنده انجام می‌شود، منجر به نوآوری اساسی شد.
در مقاله Nature، قرار دادن آنزیم در مولکول‌هایی که آن‌ها را به نام هتروپلیمرهای تصادفی یا RHPها طراحی کرده‌اند به نمایش گذاشته‌شده است. درست مشابه جاسازی میلیاردها نانوذره در سراسر گرانول‌های پلاستیکی در نقطه آغازین فرآیند پلاستیک. این فرآیند مشابه قرار دادن رنگدانهها در پلاستیک جهت رنگ‌آمیزی آن‌ها است.
Dawanne Poree مدیر برنامه ARO گفت: این کار با کشف سال 2018 ترکیب‌شده که RHPها را به‌عنوان پایدارکننده‌های آنزیمی بسیار مؤثر نشان می‌دهد. این کار باعث حفظ ساختار آنزیم و فعالیت آن در محیط غیر بیولوژیکی می‌شود. این تحقیق درواقع دروازه از خانواده جدید مواد ترکیبی زیستی- غیر زیستی با کارکردهایی را که فقط در سیستم‌های زنده موجود بوده است، باز می‌کند.
بیش‌تر کره زمین در پلاستیک‌های دور ریخته شده شنا می‌کند که به‌سلامتی حیوانات و احتمالاً انسان آسیب می‌زند. آیا می‌توان آن را تمیز کرد؟
نتایج نشان می‌دهد که آنزیم‌های پوشیده شده با RHP خاصیت پلاستیک را تغییر نمی‌دهند، این ماده می‌تواند مانند پلی‌استرهای معمولی در دمای 170 درجه سلسیوس ذوب‌شده است و به الیاف اکسترود شود.
برای شروع تخریب، تنها افزودن آب و کمی گرما لازم بود. در دمای اتاق، حدود 80% الیاف اصلاح‌شده به‌طور کامل تخریب می‌شوند. تخریب در دماهای بالاتر سریع‌تر بود. تحت شرایط صنعتی کمپوست شدن، PLA اصلاح‌شده ظرف مدت 6 روز در دمای 50 درجه سلسیوس تخریب شد.
پلی‌استر دیگر (پلی کاپرولاکتون)، طی دو روز در دمای 40 درجه سلسیوس تخریب شد. برای PLA، تیم تحقیقاتی آنزیمی با نام پروتئیناز K را تعبیه کردند که PLA تا تبدیل به لاکتیک اسید می‌جود. برای PCL آن‌ها لیپاز استفاده کردند. هر دو آنزیم ارزان و در دسترس‌اند.
Ting Xu استاد علوم و مهندسی مواد دانشگاه برکلی، گفت: اگر آنزیم فقط در سطح باشد فرآیند بسیار آهسته خواهد بود. شما می‌خواهید در مقیاس نانو در همه‌جا توزیع شود تا اساساً هرکدام از آن‌ها تنها نیاز به از بین بردن همسایه پلیمری خود داشته باشد و سپس کل مواد متلاشی شود. Xu گمان می‌کند که درجه حرارت بیش‌تر باعث تحرک بیش‌تر آنزیم پوشیده شده می‌شود و می‌تواند با سرعت بیش‌تری انتهای زنجیر پلیمری را پیدا کند و بجود و سپس به زنجیره بعدی برود. آنزیم‌های پوشیده شده با RHP نیز تمایل دارند در انتهای زنجیره پلیمری متصل شوند و آنزیم‌ها را در نزدیکی اهداف خود نگه‌دارند.
پلی‌استرهای اصلاح‌شده در دمای پایین یا در طی مدت کوتاه رطوبت تخریب نمی‌شوند. به‌عنوان‌مثال یک پیراهن ساخته‌شده از پلی‌استر با این فرآیند در برابر تعریق و شستشو در دمای متوسط مقاومت می‌کند. خیساندن پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر در آب به مدت سه ماه در دمای اتاق تخریب نمی‌شود، اما خسیاندن در آب ولرم برای مدت‌زمانی مشابه سبب انجام تخریب می‌شود.
Xu درحال‌توسعه آنزیم‌های پوشیده شده RHP است که می‌تواند انواع دیگر پلاستیک پلی‌استر را تخریب کند. اما همچنین RHPها را اصلاح می‌کند تا تخریب برنامه‌ریزی شود تا در یک نقطه مشخص متوقف‌شده و ماده به‌طور کامل تخریب نشود. این ممکن است برای فرآیند مجدد پلاستیک و تبدیل به پلاستیک جدید مفید باشد. همچنین افزود: تصور کنید از چسب زیست‌تخریب‌پذیر برای سوار کردن مدارهای رایانه‌ای یا حتی در سرتاسر تلفن و وسایل الکترونیکی استفاده می‌کنید، پس از اتمام کار با آن‌ها چسب را حل می‌کنید تا دستگاه از هم جداشده و بتوان از قطعات استفاده مجدد کرد.
Poree گفت: این فناوری می‌تواند برای تولید مواد جدید در محیط‌های عملیاتی روبه‌جلو بسیار مفید باشد. همچنین بیان کرد: به فکر داشتن تجهیزات معیوب و یا قطعات وسیله نقلیه‌ای باشید که بتواند تخریب‌شده و سپس ساخته شود و یا برای استفاده کاملاً متفاوت مورداستفاده قرار گیرد. این همچنین تأثیرات بالقوه‌ای را برای تولید اعزامی دارد.