Учёные создали биоразлагаемый биопластик, который разлагается при комнатной температуре и превосходит нефтепластики

Новый биопластик, вдохновлённый структурой листьев, решает основные проблемы современных биопластиков — делая их прочнее, функциональнее и способными разлагаться при комнатной температуре. Фото: Shutterstock

Человечество давно борется с загрязнением окружающей среды нефтепластиками, а осознание вредного воздействия микропластика на пищевые цепочки и водные ресурсы лишь усиливает эту проблему.

В ответ на это исследователи разрабатывают биоразлагаемые аналоги традиционных пластиков — так называемые биопластики. Однако современные биопластики тоже имеют недостатки: они менее прочные, чем нефтехимические аналоги, и разлагаются только в условиях высокотемпературного компостирования.

Группа учёных из Университета Вашингтона в Сент-Луисе решила обе проблемы, вдохновившись обычными листьями. Ещё до появления пластика люди заворачивали пищу в листья, которые легко разлагаются благодаря структуре, богатой целлюлозой. Исследователи решили внедрить целлюлозные нановолокна в структуру биопластиков.

«Мы создали многослойную структуру, где целлюлоза находится в середине, а биопластики — по бокам», — объяснил Джошуа Юань, профессор и заведующий кафедрой энергетики, экологии и химической инженерии в Школе инженерии Маккелви. «Таким образом мы получили очень прочный материал с мультифункциональными свойствами», — добавил он.

Технология была разработана на основе двух самых распространённых биопластиков. В исследовании, опубликованном ранее в этом году в журнале Green Chemistry, Юань и его коллеги использовали модифицированную структуру целлюлозных нановолокон для улучшения прочности и биоразлагаемости полигидроксибутирата (PHB), пластика на основе крахмала. Затем они усовершенствовали метод для полимолочной кислоты (PLA), о чём подробно рассказали в новой статье в Nature Communications.

Рынок пластиковой упаковки оценивается в 23,5 млрд долларов (около 1,9 трлн рублей) и доминируют в нём полиэтилен и полипропилен — нефтехимические полимеры, распадающиеся на вредные микропластики. Улучшенный биопластик, названный Layered, Ecological, Advanced and multi-Functional Film (LEAFF), превращает PLA в упаковочный материал, способный разлагаться при комнатной температуре. Кроме того, структура позволяет добиться низкой проницаемости для воздуха и воды, что помогает сохранять продукты свежими, а также делает поверхность пригодной для печати. Это удешевляет производство, так как устраняет необходимость печатать отдельные этикетки.

«Кроме того, целлюлозная структура LEAFF обеспечивает ему более высокую прочность на разрыв, чем у нефтехимических пластиков, таких как полиэтилен и полипропилен», — пояснил Пунит Дхатт, аспирант лаборатории Юаня и первый автор статьи.

Ключевым новшеством стало внедрение целлюлозной структуры, которую инженеры воспроизвели, встроив целлюлозные фибриллы в биопластики.

«Эта уникальная биомиметическая конструкция позволяет нам преодолеть ограничения биопластиков и открывает путь для их более широкого применения», — сказал Юань.

Готовность к циклической экономике

США находятся в выгодном положении для доминирования на рынке биопластиков и создания «циклической экономики», где отходы перерабатываются, а не загрязняют окружающую среду.

Юань надеется, что технология сможет масштабироваться в ближайшее время, и ищет коммерческих и благотворительных партнёров для внедрения этих разработок в промышленность. Конкуренты из азиатских и европейских исследовательских институтов также работают над аналогичными технологиями, но у США есть преимущество благодаря развитой сельскохозяйственной системе, а Университет Вашингтона расположен в центре агрохимической промышленности страны.

«США особенно сильны в сельском хозяйстве, — отметил Юань. — Мы можем обеспечить сырьё для производства биопластиков по более низкой цене, чем другие регионы мира».

Под «сырьём» он подразумевает такие вещества, как молочная кислота, ацетат или олеат — продукты ферментации кукурузы и крахмала микроорганизмами, которые служат «фабриками» по производству биопластиков.

Например, Pseudomonas putida — это штам бактерий, широко используемый в ферментационной промышленности, в том числе для производства различных полигидроксиалканоатов (PHA), включая PHB.

Исследователи из Школы инженерии Маккелви разработали способы превращения различных отходов, включая углекислый газ, лигнин и пищевые отходы, в биопластики с использованием таких микроорганизмов, как P. putida. Улучшенный дизайн биопластиков, предложенный Юанем, делает процесс производства PHB и PLA более эффективным, а их разложение — безопасным для окружающей среды.

«В США серьёзная проблема с отходами, и их циклическое использование может значительно сократить загрязнение, превратив отходы в полезные материалы», — сказал Юань. «Развитие цепочки поставок биопластиков создаст новые рабочие места и рынки», — добавил он.

Исследование «Biomimetic layered, ecological, advanced, multi-functional film for sustainable packaging» поддержано грантами NSF EEC 2330245, NSF MCB 2229160 и проектами Министерства энергетики США (Bioenergy Technologies Office).

Исследование «Integrated design of multifunctional reinforced bioplastics (MReB) to synergistically enhance strength, degradability, and functionality» поддержано грантами NSF MCB 2229160 и проектами Министерства энергетики США, включая EE 0007104, DE EE 0008250 и другие.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Вашингтона в Сент-Луисе.