Kompostovatelné plasty

22. června 2021  ·  Mgr. Zdeňka Březinová

Kompostovatelné plasty

Navzdory snaze o třídění a recyklaci je globálně recyklováno pouze cca 9 % plastů, zbytek končí na skládkách odpadů.[JP1] Z oněch devíti „zachráněných“ procent se pouze 16 % dočkalo svého přetvoření v nový výrobek. Skutečností je, že výroba nového plastu je levnější než recyklace, která je navíc spojena s dalšími emisemi skleníkových plynů. Z toho důvodu se stále zřetelněji jeví jako účinnější a environmentálně vstřícnější šetrná likvidace plastového odpadu.

Možným řešením tohoto palčivého problému jsou mikroorganismy, které umělou hmotu biologicky rozloží, čímž však bez řádného řízení mohou kontaminovat také ty druhy plastů, jež by jinak byly ještě opakovaně zpracovatelné. Nadto většina biologicky rozložitelných plastů se rozkládá celé měsíce, přičemž nakonec se rozpadnou na mikroplasty, tedy drobounké umělohmotné částečky. Ty pak končí v oceánu a ve zvířecích i lidských organismech.

Vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory a Kalifornské univerzity v Berkeley publikovali v dubnu 2021 v časopise Nature článek o svém výzkumu v této oblasti. Zabývají se vývojem kompostovatelných plastů, jež mohou snížit znečištění mikroplasty a představují velkou naději pro upcyklaci (proces přeměňování v nové materiály či produkty lepší kvality za účelem zlepšování životního prostředí) umělých hmot. Materiál tak může být rozbit na základní stavební bloky (malé molekuly zvané monomery) a posléze reformován do nových kompostovatelných produktů.

Jednou z klíčových členek vývojového týmu je profesorka Ting Xuová z Divize materiálových věd laboratoří v Berkeley. Bezmála 15 let se věnuje vývoji funkčních polymerových materiálů inspirovaných přírodou a stojí v čele interdisciplinárního týmu vědců a inženýrů z univerzit a národních laboratoří, jenž řeší stále aktuálnější problematiku plastů jak jednorázových, tak biologicky odbouratelných.

Nejvíce současných biologicky rozložitelných plastů je vyrobeno z PLA (Poly Lactic Acid, kyselina polymléčná), tedy z umělé hmoty na rostlinné bázi smísené s kukuřičným škrobem. Existuje také polykaprolakton (PLC), biologicky rozložitelný polyester hojně užívaný pro biomedicínské aplikace, jako je kupříkladu tkáňové inženýrství.

Problém s konvenčními biologicky odbouratelnými plasty však spočívá v jejich nerozeznatelnosti od plastů jednorázových, pročež ho velké množství zbytečně končívá na skládkách. Další nevýhodou bioplastů je skutečnost, že jsou slabší než běžné umělé hmoty, nelze v nich tedy transportovat těžké předměty. Navíc, jak již bylo výše zmíněno, ani po rozložení nedochází k úplnému vyřešení biologické zátěže, neboť z biologicky odbouraného plastu se stává pouze o hodně menší mikroplast.

Z tohoto důvodu zvolila profesorka Xuová a její tým odlišný přístup a zaměřila se na integraci enzymů do umělých hmot.

Protože enzymy jsou součástí živoucích systémů, spočíval trik v nalezení takového místa v umělé hmotě, kam enzymy uložit, aby zde mohly „přespat“, než budou povolány do akce. Při sérii experimentů vědci vložili do PLA a PLC stopové množství enzymů lipázy Burkholderia cepacian (BC-lipáza) a proteinázy K a přidali ochranný prostředek, náhodný heteropolymer se čtyřmi monomery (RHP), který rozptýlil enzymy o několik nanometrů od sebe.

Výsledek byl ohromující. Vědci zjistili, že obyčejná voda z kohoutku či běžný půdní kompost jsou schopny přeměnit plasty s takto zabudovanými enzymy na monomery a eliminovat mikroplasty již v průběhu několika málo dní či týdnů.

Zároveň se ukázalo, že BC-lipázy jsou „vybíraví jedlíci“. Aby totiž mohly přetvořit polymerový řetězec na monomery, musejí nejprve nalézt jeho konec. Řízením okamžiku, kdy bude tento konec nalezen, je tedy možno zajistit, aby materiály nedegradovaly dříve, než budou hozeny do horké vody nebo na kompost. Navíc vědci zjistili, že tato strategie zabírá pouze v případě, kdy je v PCL bloku obsažen zcela konkrétní malý objem BC-lipázy (v tomto případě pouhá 0,02 %), tedy nikoli při pouhém vmísení náhodného množství.

Toto zjištění bude zásadní z hlediska nákladů. Průmyslové enzymy stojí kolem 10 USD za kilogram, jsou tedy poměrně drahé, ovšem tento nový přístup umožní využít tak malé množství těchto látek, že výrobní náklady enzymy prodraží pouze o několik centů na kilogram pryskyřice.

Zmíněné vlastnosti vyvíjeného materiálu byly ověřeny řadou testů (např. studie rozptylu rentgenových paprsků či pokusy s mezifázovým napětím) a výsledky byly více než uspokojivé. Takto cenově dostupný a snadno rozložitelný plast by mohl motivovat výrobce k balení čerstvého ovoce či zeleniny do kompostovatelné fólie namísto jednorázového plastového obalu. Zároveň by tím došlo ke snížení nákladů na likvidaci plastového odpadu.

A protože vyvinutý postup by měl fungovat jak s tvrdými, tuhými plasty, tak s plasty měkkými a pružnými, plánuje profesorka Xuová rozšířit svůj záměr také na polyolefiny, všudypřítomnou skupinu plastů běžně používaných k výrobě hraček a elektronických součástek.

Členové VaV týmu již za svou práci sklidili několik ocenění a nedávno podali patentovou přihlášku. Jejich práce probíhá za podpory Úřadu pro vědu (Office of Science) amerického ministerstva energetiky (United States Department of Energy, DOE), ministerstva obrany a dalších významných institucí.

Zdrojové texty: https://www.rdworldonline.com/to-design-truly-compostable-plastic-scientists-take-cues-from-nature/

Publikovaná studie VaV týmu: https://www.nature.com/articles/s41586-021-03408-3.epdf?sharing_token=Dhh1R2KfQJV9GP3w1_rlY9RgN0jAjWel9jnR3ZoTv0PUayo1-8AZlc7I_CO2BCNHpVdS1TwcadDdwJXKJMZeRqpNgnsxwjDTuBbfZ91WteuaLXhfc-HIeusx4n_lxqndNNprL5rz53FQL3vGhaCD4Id9LXSlD44W6xcPPyqjOWY%3D

Ekolist: https://ekolist.cz/cz/zelena-domacnost/rady-a-navody/mcafee-recyklace-plastu-nedava-smysl.pojdme-je-znovu-ukladat-na-skladky