آنزیم‌ها که واکنش‌های شیمیایی را در بدن تسریع می‌کنند می‌توانند کارایی را به پلاستیک‌ها اضافه کنند در صورتی که بتوان آن‌ها را از دمای فرآیندی بالا محافظت کرد.
آنزیم‌ها کاتالیست‌های بیولوژیکی هستند. آن‌ها واکنش‌های شیمیایی را در بدن راه می‌اندازند مانند واکنش دخیل در هضم که در غیر این صورت فرآیند هضم بسیار طولانی‌تر یا به دمای بالاتری نیاز دارد. آنزیم‌ها می‌توانند عمل‌کرد را به پلاستیک‌ها بیافزایند مانند خودتمیزشوندگی، توانایی مقاومت در برابر قالب یا باکتری‌ها و قابلیت خود تخریبی (زیست‌تخریب‌پذیری). با این حال آنزیم‌ها زیاد به حرارت حساس نیستند و پلاستیک‌ها معمولاً در دمای بالا فرآیند می‌شوند. این امر ترکیب آنزیم‌ها با پلاستیک‌ها را سخت می‌کند. در حال حاضر دانشمندان در مؤسسه Fraunhofer برای تحقیقات کاربردی پلیمر (IAP) در آلمان راهی برای انجام این کار بدون از بین بردن عمل‌کرد آنزیم‌ها پیدا کردند. هدف آن‌ها تبدیل به فرآیند صنعتی است. Ruben Rosencrantz، رئیس بخش مواد عامل‌دار و بخش گلیکوبیوتکنولوژی Fraunhofer IAP در این زمینه گفت: ما به دنبال تولید پلاستیک‌های زیستی عامل‌دار شده در مقیاس آزمایشگاهی نیستیم. ما می‌خواهیم نشان دهیم که تولید فنی آن امکان‌پذیر است. سازمان تقریباً در نیمه راه پروژه تحقیقاتی است که در سال ۲۰۱۸ آغاز شد. محققان از حامل‌های معدنی بسیار متخلخل جهت تثبیت و محافظت از آنزیم‌ها استفاده می‌کنند. آنزیم‌ها با جاسازی خود در منافذ به حامل‌ها متصل می‌شوند. Rosencrantz افزود: اگرچه حامل‌ها تحرک آنزیم‌ها را محدود می‌کند اما آن‌ها فعال می‌مانند و قادر به تحمل دمای بالاتر هستند. با این حال یک فرآیند واحد وجود ندارد که در همه موارد کار کند. همچنین می‌گوید: حامل باید به طور خاص برای هر آنزیم انتخاب شود زیرا دو آنزیم شبیه هم نیستند. استفاده از آنزیم پایدار شده در توده پلاستیک، نه فقط در سطح، دشوارتر است. ماندگاری طولانی‌تری دارد و از اثرات سایش سطح جلوگیری می‌کند. برای دست‌یابی به بهترین نتیجه در فرآیند پایین دست، آنزیم تثبیت شده باید به سرعت مذاب پلاستیک داغ توزیع شود؛ بنابراین در معرض نیرو یا دمای زیاد قرار نگیرد. محققان فرآیندی را توسعه دادند که هم برای پلاستیک‌های زیستی و هم برای پلاستیک‌های معمولی پایه نفتی مانند پلی‌اتیلن اعمال می‌شود. Thomas Büsse رئیس واحد آزمایشگاه صنعتی پلیمرهای زیستی Fraunhofer IAP در Schwarzheide گفت: به هنگام جاسازی در پلاستیک، آنزیم‌های تثبیت شده می‌توانند بارهای حرارتی بالاتری را نسبت به قبل تحمل کنند. این کار استفاده از آنزیم‌ها و تمام مراحل فرآیند را بسیار آسان‌تر می‌کند. تاکنون تمرکز محققان بر روی آنزیم‌هایی بوده است و پروتئاز نامیده می‌شود که پروتئین‌ها را تجزیه می‌کند. پلاستیک‌های جاسازی شده با پروتئازها می‌توانند اثر خودتمیزشوندگی داشته باشند مانند لوله‌هایی که در برابر انسداد (گرفتگی) مقاومت می‌کنند. با این حال این تیم در حال آزمایش آنزیم‌های دیگر نیز هستند. شرکای پروژه در BTU Cottbus-Senftenberg بر آنزیم‌هایی که پلاستیک‌ها و مواد سمی را تجزیه کرده تمرکز می‌کنند. اولین گرانول‌ها و فیلم‌های عامل‌دار شده قبلاً تولید شده است. محققان نیز آنزیم‌های تعبیه شده در این محصولات را ایجاد کردند که فعال باقی می‌مانند. آن‌ها ثبت اختراعی را برای این تحقیق ارائه کردند.
آنزیم‌های تعبیه شده در PCL به منظور تسهیل فرآیند تخریب
تحقیق سبز
ضمناً تحقیق در مورد پلاستیک‌های سبز پر رونق است. همچنین مواد زیستی نظیر پلی‌اتیلن سبز Braskem که از نیشکر به جای نفت خام ساخته شده است. علاقه مداوم به پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و قابل کمپوست وجود دارد. این مواد معمولاً اما نه همیشه از منابع پایدار ساخته شده اند. با این حال پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر و قابل کمپوست عموماً تنها در شرایط خاص مانند کمپوست‌سازی صنعتی تجزیه می‌شوند. این بدان معنی است که اگر این مواد به محیط زیست یا سایت‌های دفن زباله راه یابند تجزیه نخواهند شد. این یکی از دلایل ادامه تحقیقات است که چگونه پلاستیک‌ها را می‌توان مهندسی کرد تا مؤثرتر تجزیه شوند. یکی از روی‌‌کردهای نوظهور استفاده از پلاستیک‌هایی است که مولکول‌های پلاستیک را هضم می‌کنند.
روی‌کرد تعبیه شده
محققان دانشگاه کالیفرنیا در برکلی راهی را برای جاسازی آنزیم‌ها در پلاستیک ابداع کرده‌اند تا سریع‌تر تجزیه شوند. دانشمندان به رهبری Ting Xu از بخش علم و مهندسی مواد فرآیند را به پلی‌لاکتیک‌اسید (PLA) اعمال کردند. معمولاً به منظور افزایش سرعت تخریب از پلاستیک زیست‌تخریب‌پذیر استفاده می‌شود. XU می‌گوید بسیاری از موارد ساخته شده به سایت‌های دفن زباله ختم می‌شوند جایی که تخریب زیستی نمی‌شوند. این فرآیند شامل تعبیه آنزیم پلی‌استری به درون توده پلیمری است که تولید می‌شود. یک لایه پلیمری محافظ تضمین می‌کند که آنزیم تا زمانی که به آن نیاز نباشد غیر فعال می‌ماند. حرارت و آب پوسته محافظ را از بین می‌برد سپس به آنزیم اجازه می‌دهد تا قسمت عمده توده پلیمر را تجزیه کند. به عنوان مثال پلی‌لاکتیک‌اسید به اسید لاکتیک تجزیه می‌شود که می‌تواند میکروب‌های خاک را در کمپوست تغذیه کند. پوسته محافظی که همراه با توده پلاستیک تخریب می‌شود مولکولی به نام هتروپلیمر تصادفی (RHP) است. از چهار نوع زیر واحد منومری ساخته شده است که خواص شیمیایی هر کدام برای برهم‌کنش با گروه‌های شیمیایی سطح آنزیم خاص طراحی شده است. تحت اشعه ماوراء بنفش (UV) و در غلظت موجود کم‌تر از ۱% وزن پلاستیک تخریب می‌شوند (برای این که مشکلی نباشد مقدار کم کافی است). در تحقیقی که در Nature منتشر شد این تیم میلیاردها نانوذره را در گرانول‌های پلاستیک جاسازی کرد. مقاله نشان داد که آنزیم‌های محافظت شده با RHP ماهیت پلاستیک‌ها را تغییر ندادند که هنوز می‌توان در دمای حدود ۱۷۰ درجه به الیاف تبدیل شوند. XU گفت: اگر آنزیم را تنها روی سطح دارید خورندگی بسیار آهسته است. شما توزیع در مقیاس نانو را در سرتاسر می‌خواهید؛ به طوری که هر مولکول همسایگان پلیمری خود را می‌خورد و کل مواد متلاشی می‌شود.
آب و گرما
تخریب با افزودن آب و گرما آغاز می‌شود. در دمای اتاق در عرض یک هفته ۸۰% از الیاف PLA اصلاح شده به طور کامل تجزیه می‌شوند. این فرآیند در دمای بالاتر سریع‌تر بود: تحت شرایط کمپوست صنعتی PLA اصلاح شده طی ۶ روز در دمای ۵۰ درجه تخریب شد. پلی استر دیگر، پلی‌کاپرولاکتون (PCL) تحت شرایط کمپوست صنعتی طی دو روز و در دمای ۴۰ درجه تخریب شد. برای پلی‌لاکتیک‌اسید، XU آنزیمی با نام پروتئیناز k را جاسازی کرد که PLA را به اسید لاکتیک تجزیه می‌کند. برای PCL از لیپاز استفاده کرد. هر دو آنزیم ارزان و معمولاً در دسترس هستند. Xu متعقد است که دمای بالاتر سبب تحرک بیش‌تر آنزیم محافظت شده می‌شود. به آن اجازه می‌دهد انتهای زنجیره پلیمری را به سرعت پیدا کند و آن را تخریب کند سپس سراغ زنجیره بعدی برود. آنزیم‌های پوشش داده شده با RHP تمایل به اتصال به انتهای زنجیره پلیمری را دارند، نگه داشتن آنزیم‌ها در نزدیکی اهدافشان. به گفته XU پلیمرهای اصلاح شده در دماهای پایین‌تر یا مدت رطوبت کم تجزیه نمی‌شوند. یک پیراهن پلی‌استر در مقابل عرق و شتسشو در دمای متوسط مقاومت می‌کند. غوطه‌وری در آب دمای اتاق به مدت سه ماه باعث تخریب پلاستیک نمی‌شود. با این حال خیساندن در آب ولرم مانند آب شیر داغ منجر به تخریب شد. XU در حال توسعه آنزیم‌های پوشش داده شده با RHP است که می‌تواند انواع دیگر پلی‌استر‌ها را تخریب کند. اما او همچنین RHP ها را اصلاح می‌کند تا بتواند تخریب را برنامه ریزی کند تا در یک نقطه مشخص متوقف شود و مواد را به طور کامل از بین نبرد. او گفت: در صورتی که پلاستیک نیاز به ذوب مجدد و بازیافت داشته باشد می‌تواند مفید باشد. علاوه بر این یکی از نویسندگان همکار این مطالعه Aaron Hall دانشجوی دکترا دانشگاه برکلی یک شرکت برای توسعه بیش‌تر این مواد ایجاد کرده است. این ثابت می‌کند که آنزیم‌ها برای زیست‌شناسی حیاتی هستند. آن‌ها در توسعه پلاستیک‌های جدید اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کنند.
منبع خبر:
www.iap.fraunhofer.de/en
www.berkeley.edu
همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.
info@fara-ps.com
