Общество давно борется с загрязнением окружающей среды пластиком, изготовленным на основе нефти. Осознание вредного воздействия микропластика на продукты питания и источники воды усиливает давление на решение этой проблемы.
В ответ на это исследователи разрабатывают биоразлагаемые версии традиционных пластиков, или «биопластики». Однако у существующих биопластиков есть свои проблемы: они не так прочны, как пластики на основе нефтепродуктов, и разлагаются только в условиях высокотемпературного компостирования.
Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе решили обе эти проблемы, вдохновившись обычным листом.
Биопластик, вдохновлённый листьями
Ещё до появления пластика люди заворачивали еду в листья, которые легко разлагаются благодаря структуре клеточных стенок, богатых целлюлозой. Инженеры-химики решили внедрить нанофибры целлюлозы в конструкцию биопластиков.
«Мы создали многослойную структуру, где целлюлоза находится посередине, а биопластики — с двух сторон», — говорит Джошуа Юань, профессор и заведующий кафедрой энергетики, окружающей среды и химической инженерии в Инженерной школе Маккелви. Юань также является директором Инженерного исследовательского центра по перепроектированию для биопроизводства с использованием углерода (CURB), финансируемого Национальным научным фондом.
«Таким образом, мы создали материал, который очень прочен и многофункционален», — добавляет он.
Технология возникла в результате работы с двумя наиболее производимыми сегодня биопластиками. В исследовании, опубликованном ранее в этом году в журнале Green Chemistry, Юань и его коллеги использовали вариацию своей структуры из нанофибры целлюлозы, вдохновлённой листьями, для повышения прочности и биоразлагаемости полигидроксибутирата (PHB), пластика на основе крахмала; они усовершенствовали свою технику для полилактида (PLA), как подробно описано в новой статье в журнале Nature Communications.
Оптимизированный биопластик
Рынок пластиковой упаковки — это индустрия стоимостью 23,5 миллиарда долларов, в которой доминируют полиэтилен и полипропилен, полимеры на основе нефти, которые распадаются на вредные микропластики. Оптимизированный биопластик, разработанный исследователями, получил название Layered, Ecological, Advanced, and multi-Functional Film (LEAFF). Он превратил PLA в упаковочный материал, который биоразлагается при комнатной температуре.
Кроме того, структура позволяет получить другие важные свойства, такие как низкая проницаемость для воздуха или воды, что помогает сохранять продукты питания в стабильном состоянии, а также поверхность, пригодную для печати. Это повышает рентабельность биопластиков, поскольку позволяет производителям не печатать отдельные этикетки для упаковки.
«Помимо всего прочего, целлюлозная структура, лежащая в основе LEAFF, придаёт ему более высокую прочность на растяжение, чем даже у таких нефтехимических пластиков, как полиэтилен и полипропилен», — объясняет Пунит Дхатт, аспирант лаборатории Юаня и первый автор статьи.
Инновация заключалась в добавлении целлюлозной структуры, которую инженеры воспроизвели, — фибрилл целлюлозы, встроенных в биопластики.
«Этот уникальный дизайн, имитирующий биологические системы, позволяет нам устранить ограничения использования биопластиков, преодолеть технические барьеры и обеспечить более широкое использование биопластиков», — говорит Юань.
Соединённые Штаты занимают уникальное положение, чтобы доминировать на рынке биопластиков и создать «круговую экономику», в которой отходы повторно используются и возвращаются в системы, а не загрязняют воздух, воду или оказываются на свалках.
Юань надеется, что эта технология скоро будет внедрена в более широких масштабах, и ищет коммерческих и благотворительных партнёров, которые помогут внедрить эти усовершенствованные процессы в промышленность. Конкуренты из азиатских и европейских исследовательских институтов также работают над разработкой аналогичных технологий. Но у американской промышленности есть преимущество благодаря развитой сельскохозяйственной системе страны.
«США особенно сильны в сельском хозяйстве», — говорит Юань. «Мы можем обеспечить сырьё для производства биопластиков по более низкой цене по сравнению с другими частями мира».
Сырьём, о котором говорит Юань, являются химические вещества, такие как молочная кислота, ацетат или жирные кислоты, например, олеат, продукты ферментации кукурузы или крахмала микробами, которые служат фабриками биопластиков.
Например, Pseudomonas putida — это штамм микробов, широко используемый в ферментативной промышленности, в том числе для производства различных полигидроксиалканоатов (PHA), включая PHB.
Исследователи разработали способы преобразования различных отходов, включая углекислый газ, лигнин и пищевые отходы, в биопластики с использованием таких штаммов, как P. putida. Благодаря усовершенствованию конструкции биопластиков исследования Юаня вносят дополнительный вклад в решение этой проблемы, создавая версию PHB и PLA, которую можно производить гораздо более эффективно и которая безопасно разлагается в окружающей среде.
«В Соединённых Штатах есть проблема с отходами, и круговое повторное использование может во многом помочь превратить эти отходы в полезные материалы», — говорит Юань. «Если мы сможем расширить нашу цепочку поставок биопластиков, это создаст рабочие места и новые рынки», — говорит он.
Поддержка работы была оказана Национальным научным фондом и Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США (BETO).
Источник: Вашингтонский университет в Сент-Луисе.