Los plásticos biodegradables se han anunciado como una solución al problema de la contaminación plástica que aqueja al mundo. pero las bolsas de plástico "compostables" de hoy, los utensilios y las tapas de las tazas no se rompen durante el compostaje típico y contaminan otros plásticos reciclables, creando dolores de cabeza a los recicladores. La mayoría de los plásticos compostables, hecho principalmente del poliéster conocido como ácido poliláctico, o PLA, terminan en vertederos y duran tanto como los plásticos para siempre.

Universidad de California, Berkeley, Los científicos ahora han inventado una forma de hacer que estos plásticos compostables se descompongan más fácilmente, con solo calor y agua, en unas pocas semanas, resolviendo un problema que ha desconcertado a la industria del plástico y a los ambientalistas.

"La gente ahora está preparada para pasar a polímeros biodegradables para plásticos de un solo uso, pero si resulta que crea más problemas de los que vale, entonces la política podría revertirse, "dijo Ting Xu, Profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UC Berkeley y de química. "Básicamente estamos diciendo que estamos en el camino correcto. Podemos resolver este problema continuo de que los plásticos de un solo uso no son biodegradables".

Xu es el autor principal de un artículo que describe el proceso que aparecerá en la edición del 21 de abril de la revista. Naturaleza .

Teóricamente, la nueva tecnología debería ser aplicable a otros tipos de plásticos de poliéster, quizás permitiendo la creación de envases plásticos compostables, que actualmente son de polietileno, un tipo de poliolefina que no se degrada. Xu cree que los plásticos de poliolefina se convierten mejor en productos de mayor valor, no abono, y está trabajando en formas de transformar plásticos de poliolefina reciclados para su reutilización.

El nuevo proceso implica la incorporación de enzimas que comen poliéster en el plástico a medida que se fabrica. Estas enzimas están protegidas por una simple envoltura de polímero que evita que la enzima se desenrede y se vuelva inútil. Cuando se expone al calor y al agua, la enzima se quita de encima su cubierta de polímero y comienza a masticar el polímero plástico en sus componentes básicos; en el caso del PLA, reduciéndolo a ácido láctico, que puede alimentar a los microbios del suelo en abono. La envoltura de polímero también se degrada.

El proceso elimina los microplásticos, un subproducto de muchos procesos de degradación química y un contaminante por derecho propio. Hasta el 98% del plástico fabricado con la técnica de Xu se degrada en pequeñas moléculas.

Uno de los coautores del estudio, Aaron Hall, ex estudiante de doctorado de UC Berkeley, ha creado una empresa para desarrollar aún más estos plásticos biodegradables.

Hacer que el plástico se autodestruya

Los plásticos están diseñados para no romperse durante el uso normal, pero eso también significa que no se descomponen después de descartarse. Los plásticos más duraderos tienen una estructura molecular casi cristalina, con fibras de polímero alineadas tan firmemente que el agua no puede penetrarlas, y mucho menos los microbios que pueden masticar los polímeros, que son moléculas orgánicas.

La idea de Xu era incrustar enzimas consumidoras de polímeros a nanoescala directamente en un plástico u otro material de manera que las secuestrara y protegiera hasta que las condiciones adecuadas las liberaran. En 2018, ella mostró cómo funciona esto en la práctica. Ella y su equipo de UC Berkeley incorporaron en una estera de fibra una enzima que degrada los químicos organofosforados tóxicos, como los de los insecticidas y los agentes de guerra química. Cuando la alfombra se sumergió en el químico, la enzima incrustada descomponía el organofosfato.

Su innovación clave fue una forma de evitar que la enzima se desmorone, qué proteínas suelen hacer fuera de su entorno normal, como una célula viva. Ella diseñó moléculas que llamó heteropolímeros aleatorios, o RHP, que envuelven la enzima y la mantienen unida suavemente sin restringir su flexibilidad natural. Los RHP se componen de cuatro tipos de subunidades de monómeros, cada uno con propiedades químicas diseñadas para interactuar con grupos químicos en la superficie de la enzima específica. Se degradan bajo la luz ultravioleta y están presentes en una concentración de menos del 1% del peso del plástico, lo suficientemente bajo como para no ser un problema.

Para la investigación reportada en el Naturaleza papel, Xu y su equipo usaron una técnica similar, envolver la enzima en 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. Ella compara este proceso con incrustar pigmentos en plástico para colorearlos. Los investigadores demostraron 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, o 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, el PLA modificado se degradó en seis días a 50 grados Celsius (122 F). Otro plástico de poliéster, PCL (policaprolactona), degradado en dos días en condiciones de compostaje industrial a 40 grados Celsius (104 F). Para PLA, incorporó una enzima llamada proteinasa K que mastica PLA en moléculas de ácido láctico; para PCL, ella usó lipasa. Ambas son enzimas económicas y fácilmente disponibles.

"Si tiene la enzima solo en la superficie del plástico, simplemente se grabaría muy lentamente, "Xu dijo." Quieres que se distribuya nanoscópicamente en todas partes para que, esencialmente, cada uno de ellos solo necesita comerse a sus vecinos de polímero, y luego todo el material se desintegra ".

La degradación rápida funciona bien con el compostaje municipal, que generalmente toma de 60 a 90 días para convertir los desechos de alimentos y plantas en compost utilizable. El compostaje industrial a altas temperaturas lleva menos tiempo, pero los poliésteres modificados también se descomponen más rápidamente a estas temperaturas.

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 de los 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, ella dijo. Una camisa de poliéster fabricada con este proceso resistiría el sudor y el lavado a temperaturas moderadas, por ejemplo. Remojar en agua durante tres meses a temperatura ambiente no provocó la degradación del plástico.

Remojar en agua tibia conduce a la degradación, como lo demostraron ella y su equipo.

"Resulta que el compostaje no es suficiente:la gente quiere compostar en su casa sin ensuciarse las manos, quieren abono en agua, "ella dijo." Entonces, eso es lo que intentamos ver. Usamos agua tibia del grifo. Simplemente caliéntelo a la temperatura adecuada, luego ponlo, y vemos que en unos días desaparece ".

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 si el plástico se volviera a fundir y se convirtiera en plástico nuevo.

El proyecto es apoyado en parte por la Oficina de Investigación del Ejército del Departamento de Defensa, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU.

"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 en relación con la gestión de residuos, "dijo Stephanie McElhinny, Doctor., gerente de programa de la Oficina de Investigaciones del Ejército. "Mas ampliamente, Estos resultados proporcionan información sobre las estrategias para la incorporación de biomoléculas activas en materiales en estado sólido. lo que podría tener implicaciones para una variedad de capacidades futuras del Ejército, incluida la detección, materiales de descontaminación y autocuración ".

Xu dijo que la degradación programada podría ser la clave para reciclar muchos objetos. Imagina, ella dijo, usar pegamento biodegradable para ensamblar circuitos de computadora o incluso teléfonos o dispositivos electrónicos completos, luego, cuando termines con ellos, disolviendo el pegamento para que los dispositivos se deshagan y todas las piezas se puedan reutilizar.

"Es bueno que los millennials piensen en esto y comiencen una conversación que cambiará la forma en que interactuamos con la Tierra, ", Dijo Xu." Mira todas las cosas desperdiciadas que tiramos:ropa, Zapatos, electrónica como teléfonos móviles y computadoras. Estamos tomando cosas de la tierra a un ritmo más rápido de lo que podemos devolverlas. No vuelvas a la Tierra a buscar estos materiales, pero mía lo que tengas, y luego convertirlo en otra cosa ".