Общество давно борется с загрязнением окружающей среды пластиком, изготовленным на основе нефти. Осознание вредного воздействия микропластика на запасы продовольствия и воды усиливает давление.
В ответ на это исследователи разрабатывают биоразлагаемые версии традиционных пластиков, или «биопластики». Однако у нынешних биопластиков есть свои проблемы: они не так прочны, как пластмассы на основе нефтепродуктов, и разлагаются только в системе высокотемпературного компостирования.
Исследователи из Вашингтонского университета в Сент-Луисе решили обе проблемы, вдохновившись обычным листом. Люди ещё задолго до появления пластика заворачивали еду в листья, которые легко разлагаются из-за лежащей в их основе структуры, состоящей из богатых целлюлозой клеточных стенок. Химики-технологи из WashU решили внедрить целлюлозные нановолокна в дизайн биопластиков.
«Мы создали многослойную структуру, где целлюлоза находится посередине, а биопластики — с двух сторон», — сказал Джошуа Юань, профессор Люси и Стэнли Лопаты и заведующий кафедрой энергетики, окружающей среды и химической инженерии в Инженерной школе Маккелви. «Таким образом, мы создали материал, который очень прочен и обладает многофункциональностью», — добавил он.
Технология появилась в результате работы с двумя из наиболее производимых сегодня биопластиков. В исследовании, опубликованном в журнале Green Chemistry в начале этого года, Юань и его коллеги использовали вариацию своей структуры из целлюлозных нановолокон, вдохновлённых листьями, чтобы улучшить прочность и биоразлагаемость полигидроксибутирата (ПГБ), пластика на основе крахмала. Они усовершенствовали свою технику для полилактида (ПЛА), как подробно описано в новой статье, опубликованной в Nature Communications.
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 исследователями биопластик, получивший название Layered, Ecological, Advanced and multi-Functional Film (LEAFF), превратил PLA в упаковочный материал, который биоразлагается при комнатной температуре.
Кроме того, структура позволяет получить другие важные свойства, такие как низкая воздухо- и водонепроницаемость, что помогает сохранять стабильность продуктов питания, а также поверхность, пригодную для печати. Это повышает доступность биопластиков, поскольку производители могут 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», — объяснил Пунит Дхатт, доктор философии в лаборатории Юаня и первый автор статьи.
Инновация заключалась в добавлении целлюлозной структуры, которую воспроизвели инженеры WashU, — фибрилл целлюлозы, встроенных в биопластики.
«Этот уникальный дизайн, имитирующий биомимику, позволяет нам устранить ограничения использования биопластиков, преодолеть технические барьеры и обеспечить более широкое использование биопластиков», — сказал Юань.
Соединённые Штаты занимают уникальное положение, чтобы доминировать на рынке биопластиков и создать «экономику замкнутого цикла», в которой отходы повторно используются и возвращаются в системы, а не выбрасываются в воздух и воду или не складируются на свалках.
Юань надеется, что эта технология скоро будет внедрена в производство, 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 обширной сельскохозяйственной системе страны — а WashU находится в центре национальной агрохимической промышленности.
«США особенно сильны в сельском хозяйстве», — сказал Юань. «Мы можем обеспечить сырьё для производства биопластиков по более низкой цене по сравнению с другими частями мира».
Сырьё, о котором говорит Юань, — это такие химические вещества, как молочная кислота, ацетат или жирные кислоты, такие как олеат, продукты ферментации кукурузы или крахмала микробами, которые служат фабриками биопластиков.
Например, Pseudomonas putida — это микробный штамм, широко используемый в ферментационной промышленности, в том числе для производства различных полигидроксиалканоатов (ПГА), включая ПГБ.
Исследователи из McKelvey Engineering разработали способы преобразования различных отходов, включая углекислый газ, лигнин и пищевые отходы, в биопластики с использованием таких штаммов, как P. putida. С усовершенствованием конструкции биопластиков исследования Юаня ещё больше заполняют этот пробел, предлагая версии ПГБ и ПЛА, которые можно производить гораздо более эффективно и которые безопасно разлагаются в окружающей среде.
«В Соединённых Штатах есть проблема с отходами, и циклическое повторное использование может значительно помочь превратить эти отходы в полезные материалы», — сказал Юань. «Если мы сможем расширить нашу цепочку поставок биопластиков, это создаст рабочие места и новые рынки», — сказал он.