“Biyobozunur” Plastikleri Gübrelenebilir Hale Getiren Polimer Yiyen Enzimler

Fotoğraf : Modifiye edilmiş bir plastik (solda), sadece üç gün sonra ve iki hafta sonra tamamen bozulur.

 Biyobozunur plastikler, dünyayı rahatsız eden plastik kirliliği sorununa bir çözüm olarak tanıtılıyor, ancak günümüzün “gübrelenebilir” plastik torbalar, mutfak eşyaları ve bardak kapakları, tipik kompostlama sırasında bozulmaz ve diğer geri dönüştürülebilir plastikleri kirleterek geri dönüşümcüler için baş ağrısı yaratır. Çoğunlukla polilaktik asit veya PLA olarak bilinen polyesterden yapılan kompostlanabilir (yani gübrelenebilir) plastiklerin çoğu, çöplüklerde son bulur ve sonsuza kadar plastik olarak kalır.

California Üniversitesi, Berkeley’den bilim adamları, plastik endüstrisini ve çevrecileri şaşkına çeviren bir sorunu birkaç hafta içinde çözerek, bu kompostlanabilir plastiklerin sadece ısı ve su ile daha kolay parçalanmasını sağlayacak bir yol keşfettiler.

California Üniversitesi Berkeley malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Ting Xu, “İnsanlar artık tek kullanımlık plastikler için biyolojik olarak parçalanabilen polimerlere geçmeye hazır, ancak değerinden daha fazla sorun yarattığı ortaya çıkarsa, politika geri dönebilir” dedi. “Temel olarak doğru yolda olduğumuzu söylüyoruz. Devam eden tek kullanımlık parçalanamayan plastiklerin bu sorununu biyolojik olarak çözebiliriz. “dedi.

Çalışılan bu çalışma teorik olarak diğer polyester plastik türlerine uygulanabilir olmalı, belki de şu anda polietilenden yapılmış, bozunmayan bir poliolefin türü olan kompostlanabilir plastik kapların oluşturulmasına izin vermelidir. Xu, poliolefin plastiklerin en iyi kompost değil, daha yüksek değerli ürünlere dönüştürüldüğünü düşündü ve geri dönüştürülmüş poliolefin plastikleri yeniden kullanım için dönüştürmenin yolları üzerinde çalıştı.

Fotoğraf-1 : RHP ile kaplanmış gömülü enzim lipaz nanokümelerine sahip eriyik dışarı atılmış edilmiş bir PCL (polikaprolakton) plastik filament (solda), ılık (104 F) suda 36 saat içinde neredeyse tamamen küçük moleküllere ayrışır.

Yeni süreç, polyester yiyen enzimlerin plastiğe yapıldığı gibi gömülmesini içerir. Bu enzimler, enzimin çözülmesini ve işe yaramaz hale gelmesini önleyen basit bir polimer sargı ile korunur. Isıya ve suya maruz kaldığında, enzim polimer örtüsünü silkiyor ve plastik polimeri yapı taşlarına ayırmaya başlar ; PLA durumunda, toprak mikroplarını kompostta besleyebilen laktik aside indirgenir. Polimer sargı da bozulur.

İşlem, birçok kimyasal bozunma işleminin bir yan ürünü olan ve kendi başına bir kirletici olan mikroplastikleri ortadan kaldırır. Xu’nun tekniği kullanılarak yapılan plastiğin %98’e kadarı küçük moleküllere ayrıştırdı.

Çalışmanın ortak yazarlarından biri, eski UC Berkeley doktora öğrencisi Aaron Hall, bu biyolojik olarak parçalanabilen plastikleri daha da geliştirmek için bir şirket kurdu.

Kendi kendini imha eden plastik

 Plastikler normal kullanım sırasında parçalanmayacak şekilde tasarlanmıştır, ancak bu aynı zamanda atıldıktan sonra da parçalanmadıkları anlamına gelir. En dayanıklı plastikler, organik moleküller olan polimerleri çiğneyebilecek mikroplar dâhil; suyun bile geçemeyeceği kadar sıkı bir şekilde hizalanmış polimer lifleri ile neredeyse kristal benzeri bir moleküler yapıya sahiptir.

Fotoğraf-2 : Lipaz (yeşil toplar) gibi enzimler, plastik polimerleri yüzeyden bozabilir (sol üstte), ancak polimer zincirlerini rastgele keserek mikroplastikleri geride bırakırlar (sağ üst). Bir UC Berkeley grubu, nanokümeler (renkli top zincirleri) tarafından korunan plastiğin (sol altta) her yerine enzimler yerleştirdi. Gömülü enzimler, polimer zincirlerinin ucuna yakın bir yerde hareketsiz hale getirilir ve doğru ısı ve nem koşulları altında, polimer moleküllerini uçtan bozar. Bu teknik, kullanım sırasında plastiğin bütünlüğünü korur, ancak kullanıcı depolimerizasyonu tetiklediğinde, plastik geri dönüştürülebilir küçük moleküllü yan ürünlere kadar gider.

Xu’nun fikri, nano ölçekli polimer yiyen enzimleri, doğru koşullar onları serbest bırakana kadar onları ayıracak ve koruyacak şekilde doğrudan bir plastik veya başka bir malzemeye gömmekti. 2018’de bunun pratikte nasıl çalıştığını gösterdi. O ve UC Berkeley ekibi, böcek ilacı ve kimyasal savaş ajanlarındakiler gibi toksik organofosfat kimyasallarını bozan bir enzim olan bir fiber matın içine gömdü. Mat kimyasala daldırıldığında, gömülü enzim organofosfatı parçaladı.

En önemli yenilik, proteinlerin tipik olarak canlı bir hücre gibi normal ortamlarının dışında yaptığı enzimin parçalanmasını önlemenin bir yolu olmasıdır. Rastgele heteropolimerler veya RHP’ler olarak adlandırılan, enzimi saran ve doğal esnekliğini kısıtlamadan nazikçe bir arada tutan moleküller tasarlandı. RHP’ler, her biri spesifik enzimin yüzeyindeki kimyasal gruplarla etkileşime girmek üzere tasarlanmış kimyasal özelliklere sahip dört tip monomer alt biriminden oluşur. Ultraviyole ışık altında bozunurlar ve plastiğin ağırlığının %1’inden daha az bir konsantrasyonda bulunurlar.

Nature makalesinde bildirilen araştırma için, Xu ve ekibi, enzimi RHP’lerde kaplayan ve tüm plastik üretiminin başlangıç noktası olan plastik reçine boncuklarına milyarlarca bu nanoparçacığı gömerek benzer bir teknik kullandı. Araştırmacılar, RHP-örtülü enzimlerin, 170 ℃ veya 338 F civarında sıcaklıklarda eritilip normal polyester plastik gibi liflere ekstrüde edilebilen plastiğin karakterini değiştirmediğini gösterdi.

Fotoğraf-3 : Kompost (solda) ve bir hafta sonra (sağda) yerleştirildikten hemen sonra bir PLA (polilaktik asit) plastik filmi. Bir enzimle gömülü olan PLA plastiği, basit moleküllere biyolojik olarak parçalanabilir ve bu da onu parçalanamayan bir plastiğe gelecekteki bir alternatif olarak umut verici hale getirir.

Bozulmayı tetiklemek için sadece su ve biraz ısı eklemek gereklidir. Oda sıcaklığında, modifiye PLA liflerinin %80’i yaklaşık bir hafta içinde tamamen bozuldu. Endüstriyel kompostlama koşulları altında, modifiye PLA, 50 ℃ (122 F) altı gün içinde bozuldu. Bir başka polyester plastik olan PCL (polikaprolakton), endüstriyel kompostlama koşulları altında 40 ℃ (104 F) iki gün içinde bozuldu. PLA için, PLA’yı laktik asit moleküllerine çiğneyen proteinaz K adlı bir enzimi yerleştirildi; PCL için lipaz kullanıldı. Her iki enzim de ucuzdur ve kolayca temin edilebilir enzimlerdir.

Kompostlama

Hızlı bozunma, gıda ve bitki atıklarını kullanılabilir kompost haline getirmek için genellikle 60 ila 90 gün sürer. Yüksek sıcaklıklarda endüstriyel kompostlama daha az zaman alır, ancak modifiye edilmiş polyesterler de bu sıcaklıklarda daha hızlı bozulur.

Fotoğraf-4 :  Yüksek lisans öğrencisi Ivan Jayapurna, yeni, biyolojik olarak parçalanabilen bir polyester plastik olan PCL’den (polikaprolakton) bir örnek film ile. Gömülü enzimlere sahip PCL, düşük yoğunluklu polietileninkine çok benzer mekanik özelliklere sahiptir ve bu da onu biyolojik olarak parçalanamayan plastiklere gelecek vaat eden bir alternatif haline getirir.

Xu, daha yüksek sıcaklıkların, örtülü enzimin daha fazla hareket etmesini sağlayarak, bir polimer zincirinin sonunu daha hızlı bulmasına ve onu çiğnemesine ve ardından bir sonraki zincire geçmesine izin verdiğinden şüphelendi. RHP ile sarılmış enzimler, enzimleri hedeflerine yakın tutarak polimer zincirlerinin uçlarına yakın bağlanma eğilimindedir.

Modifiye edilmiş polyesterler daha düşük sıcaklıklarda ve ya kısa nemlilik dönemlerinde bozulmayacağı düşünüldü.  Bu işlemle yapılan bir polyester gömlek, örneğin orta sıcaklıklarda ter ve yıkamaya dayanacaktır. Üç ay oda sıcaklığında suda bekletmek plastiğin bozulmasına neden olmadı.

Xu, diğer polyester plastik türlerini bozabilen RHP sarılı enzimler geliştirdi, ancak aynı zamanda RHP’leri de değiştirdi, böylece bozunma belirli bir noktada duracak ve malzemeyi tamamen yok etmeyecek şekilde programlanabildi. Bu durum, plastik yeniden eritilip yeni plastiğe dönüştürülecekse faydalı olabilir.

Fotoğraf-5 :  Normal bileşimlerde hızla biyolojik olarak bozunmasını sağlamak için bir enzimle gömülü bir PLA (polilaktik asit) plastik filmi

Xu, programlanmış bozulmanın birçok nesneyi geri dönüştürmenin anahtarı olabileceğini söyledi. “Bilgisayar devrelerini, hatta tüm telefonları veya elektroniği bir araya getirmek için biyolojik olarak parçalanabilen bir yapıştırıcı kullandığınızı ve bunlarla işiniz bittiğinde yapıştırıcıyı çözdüğünü, böylece cihazların dağılacağını ve tüm parçaların yeniden kullanılabileceğini hayal edin. Attığımız tüm israf edilen şeylere bakın: giysiler, ayakkabılar, cep telefonları ve bilgisayarlar gibi elektronik ürünler. Dünyadan bir şeyleri geri verebileceğimizden daha hızlı bir şekilde alıyoruz. Sahip olduğunuz her şeyi benimseyin ve sonra onu başka bir şeye dönüştürün.” dedi.

Kaynak: scitechdaily.com