Con fondos del Ejército, los científicos inventaron una forma de hacer que los plásticos compostables se descompongan en unas pocas semanas con solo calor y agua. Este avance potencialmente resolverá los desafíos de la gestión de desechos en las bases de operaciones avanzadas y ofrecerá avances tecnológicos adicionales para los soldados estadounidenses.
El nuevo proceso, desarrollado por investigadores de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Massachusetts Amherst, implica la incorporación de enzimas que comen poliéster en el plástico a medida que se fabrica.
Cuando se expone al calor y al agua, una enzima se quita la cubierta de polímero y comienza a masticar el polímero plástico en sus bloques de construcción, en el caso de los plásticos biodegradables, que están hechos principalmente del poliéster conocido como ácido poliláctico o PLA,lo reduce a ácido láctico que puede alimentar a los microbios del suelo en el compost. La envoltura de polímero también se degrada.
El proceso, publicado en Naturaleza , elimina los microplásticos, un subproducto de muchos procesos de degradación química y un contaminante por derecho propio. Hasta el 98% del plástico fabricado con esta técnica se degrada en pequeñas moléculas.
"Estos resultados proporcionan una base para el diseño racional de materiales poliméricos que podrían degradarse en escalas de tiempo relativamente cortas, lo que podría proporcionar ventajas significativas para la logística del Ejército relacionada con la gestión de desechos", dijo la Dra. Stephanie McElhinny, gerente de programa, Oficina de Investigación del Ejército,un elemento del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., conocido como DEVCOM, Laboratorio de Investigación del Ejército ". En términos más generales, estos resultados brindan información sobre las estrategias para la incorporación de biomoléculas activas en materiales de estado sólido, lo que podría tener implicaciones para una variedad de futurosCapacidades del ejército, incluidos materiales de detección, descontaminación y autocuración ".
El nuevo proceso para descomponer los plásticos compostables implica incrustar enzimas que comen poliéster en el plástico a medida que se fabrica. Cuando se expone al calor y al agua, la enzima se quita la cubierta de polímero y comienza a masticar el polímero plástico en sus componentes básicos, enel caso del PLA, reduciéndolo a ácido láctico, que puede alimentar a los microbios del suelo en el compost.
Los plásticos están diseñados para no romperse durante el uso normal, pero eso también significa que no se descomponen después de ser desechados. Los plásticos compostables pueden tardar años en descomponerse, y a menudo duran tanto como los plásticos tradicionales.
Los equipos de investigación incorporaron enzimas que comen polímeros a nanoescala directamente en un plástico u otro material de una manera que las secuestra y protegen hasta que se dan las condiciones adecuadas para liberarlas. En 2018, mostraron cómo funciona esto en la práctica.Estera de fibra una enzima que degrada los compuestos químicos organofosforados tóxicos, como los de los insecticidas y los agentes de guerra química. Cuando el tapete se sumergió en el químico, la enzima incrustada rompió el organofosfato
Los investigadores dijeron que proteger la enzima para que no se deshaga, lo que las proteínas suelen hacer fuera de su entorno normal, como una célula viva, resultó en la innovación clave.
para el Naturaleza paper, los investigadores mostraron una técnica similar al envolver la enzima en moléculas que diseñaron llamadas heteropolímeros aleatorios o RHP, e incrustar miles de millones de estas nanopartículas en perlas de resina plástica que son el punto de partida para toda la fabricación de plástico. El proceso es similar a la incrustaciónpigmentos en plástico para colorearlos.
"Este trabajo, combinado con el descubrimiento de 2018, revela estos RHP como estabilizadores enzimáticos altamente efectivos, que permiten la retención de la estructura y actividad enzimática en entornos no biológicos", dijo el Dr. Dawanne Poree, gerente de programa, ARO. "Esta investigaciónrealmente abre la puerta a una nueva clase de materiales híbridos biótico-abióticos con funciones que solo se encuentran actualmente en los sistemas vivos ".
Gran parte del planeta está nadando en plástico desechado, lo que daña la salud de los animales y posiblemente de los humanos. ¿Se puede limpiar?
Los resultados mostraron que las enzimas envueltas en RHP no cambiaron el carácter del plástico, que podría fundirse y extruirse en fibras como el plástico de poliéster normal a temperaturas de alrededor de 170 grados Celsius 338 grados Fahrenheit.
Para desencadenar la degradación, solo fue necesario agregar agua y un poco de calor. A temperatura ambiente, el 80% de las fibras de PLA modificadas se degradaron por completo en aproximadamente una semana. La degradación fue más rápida a temperaturas más altas. En condiciones de compostaje industrial, elEl PLA se degradó en seis días a 50 grados Celsius 122 grados Fahrenheit.
Otro plástico de poliéster, PCL policaprolactona, degradado en dos días en condiciones de compostaje industrial a 40 grados Celsius 104 grados Fahrenheit. Para el PLA, el equipo incorporó una enzima llamada proteinasa K que mastica el PLA en moléculas de ácido láctico;para PCL, utilizaron lipasa. Ambas son enzimas económicas y fácilmente disponibles.
"Si tiene la enzima solo en la superficie del plástico, simplemente se grabaría muy lentamente", dijo Ting Xu, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y química de UC Berkeley. "Quieres que se distribuya nanoscópicamente en todas partes para que, esencialmente, cada uno de ellos solo necesita comerse a sus vecinos polímeros, y luego todo el material se desintegra ".
Xu sospecha que las temperaturas más altas hacen que la enzima envuelta se mueva más, lo que le permite encontrar más rápidamente el final de una cadena de polímero y masticarlo y luego pasar a la siguiente cadena. Las enzimas envueltas en RHP también tienden a unirse cerca delos extremos de las cadenas de polímero, manteniendo las enzimas cerca de sus objetivos.
Los poliésteres modificados no se degradan a temperaturas más bajas o durante breves períodos de humedad. Por ejemplo, una camisa de poliéster hecha con este proceso resistiría el sudor y el lavado a temperaturas moderadas.
Remojar el plástico biodegradable en agua durante tres meses a temperatura ambiente no provocó que se degradara, pero si lo hizo durante ese período de tiempo en agua tibia.
Xu está desarrollando enzimas envueltas en RHP que pueden degradar otros tipos de plástico de poliéster, pero también está modificando los RHP para que la degradación se pueda programar para que se detenga en un punto específico y no destruya completamente el material. Esto podría ser útil siel plástico debía volver a fundirse y convertirse en plástico nuevo.
"Imagínese, usando pegamento biodegradable para ensamblar circuitos de computadora o incluso teléfonos o electrónicos completos, luego, cuando haya terminado con ellos, disuelva el pegamento para que los dispositivos se deshagan y todas las piezas puedan reutilizarse", dijo Xu.
Esta tecnología podría ser muy útil para generar nuevos materiales en entornos operativos avanzados, dijo Poree.
"Piense en tener un equipo o partes de vehículos dañados que se pueden degradar y luego volver a fabricar en el campo, o incluso reutilizarlos para un uso totalmente diferente", dijo Poree. "También tiene impactos potenciales para la fabricación expedicionaria".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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