Biologiskt nedbrytbara tillsatser

Biologiskt nedbrytbara tillsatser är tillsatser som förbättrar den biologiska nedbrytningen av polymerer genom att tillåta mikroorganismer att utnyttja kolet i polymerkedjan som en energikälla. Biologiskt nedbrytbara tillsatser lockar mikroorganismer till polymeren genom kvorumavkänning efter biofilmskapande på plastprodukten . Tillsatser är vanligtvis i masterbatch -bildning som använder bärarhartser som polyeten (PE) , polypropen (PP) , polystyren (PS) eller polyetentereftalat (PET) .

De vanligaste syntetiska plasterna är inte biologiskt nedbrytbara, och både kemiska och fysikaliska egenskaper hos plast spelar viktiga roller i processen för plastnedbrytning. Tillsatsen av biologiskt nedbrytbara tillsatser kan påverka mekanismen för plastnedbrytning genom att ändra plastens kemiska och fysikaliska egenskaper för att öka nedbrytningshastigheten. Biologiskt nedbrytbara tillsatser kan omvandla plastnedbrytningsprocessen till en biologisk nedbrytningsprocess. Istället för att bara brytas ned av miljöfaktorer, såsom solljus ( fotooxidation ) eller värme ( termisk nedbrytning ), tillåter biologiskt nedbrytbara tillsatser polymerer att brytas ned av mikroorganismer och bakterier genom direkt eller indirekt attack.

Medan vissa plasttillsatser bara påverkar plastens yta (t.ex. färgämnen ), måste effektiva biologiskt nedbrytbara tillsatser också förändra plastens inre och deras kemiska egenskaper. Goda biologiskt nedbrytbara tillsatser påskyndar nedbrytningshastigheten genom att minska styrkan hos vissa egenskaper hos polymererna och öka deras attraktionskraft för mikroorganismer.

Mekanism för biologisk nedbrytning

I allmänhet resulterar processen med mikrobiell plastnedbrytning i en avsevärd minskning av polymerens molekylvikt, vilket gör att plasten förlorar sin strukturella integritet. Det finns flera olika sätt på vilka mikroorganismer kan genomföra processen med plastisk nedbrytning, och mekanismen skiljer sig något beroende på miljöförhållandena.

Direkt åtgärd

Vissa mikroorganismer kan direkt konsumera plastfragment och använda kolet som näringskälla. Till exempel Brevibacillus borstelensis , Rhodococcus gummi , Pseudomonas chlororaphis och Comamonas acidovorans TB-35 alla visat sig experimentellt använda direkt verkan för att konsumera polyeten. För andra mindre vanliga plaster har forskare bara hittat en mikrobstam som kan direkt bryta ned en specifik plast. Mer forskning görs för närvarande för att upptäcka andra mikrobiella stammar som effektivt kan bryta ned plast.

Polymermolekylvikt spelar en betydande roll för huruvida mikroorganismer kan använda riktningsverkan för att bryta ner plast eftersom det är ganska svårt för mikroorganismer att direkt bryta ned högmolekylära polymerer. Funktionella grupper på polymeren avgör också om en polymer kommer att brytas ned direkt, med stora substituenter som är svårare att bryta ned.

Stegen i mekanismen för mikrobiell nedbrytning visas under både aeroba och anaeroba förhållanden.

Indirekt åtgärd

Mikrober som är involverade i nedbrytningen av fossilbaserad plast använder vanligtvis en indirekt mekanism där mikrobiella enzymer bryter ner plasten. Genom indirekt verkan påverkar mikroorganismens metaboliska produkter plastens egenskaper, vilket resulterar i nedbrytning.

Enzymbaserad mikrobiell biologisk nedbrytning kan ske under två förhållanden: aerob och anaerob. Plast består vanligtvis av hydrofoba polymerer , så det första steget av biologisk nedbrytning under båda förhållanden involverar nedbrytning av polymeren av enzymet till mindre beståndsdelar såsom oligomerer , dimerer och monomerer . Nedbrytningen av plasten till mindre molekyler kallas hydrolys eller oxidation , och denna process ökar polymerens hydrofilicitet. Hydrolys eller oxidation är det viktigaste steget i mekanismen eftersom det initierar hela processen med plastisk biologisk nedbrytning. När väl hydrolys eller oxidation inträffar kan mikroorganismerna verka direkt på produkterna med lägre molekylvikt och utnyttja kolet i dessa fragment som en energikälla. ^{[ citat behövs ]}

Vanliga enzymer involverade i mikrobiell plastisk biologisk nedbrytning inkluderar lipas , proteinas K , pronas och hydrogenas, bland andra. Effekten av dessa enzymer beror på vilken typ av plast som bryts ned. Dessutom kommer produkterna från mikrobiell biologisk nedbrytning att skilja sig åt beroende på miljöförhållandena.

Aerob

Under aeroba förhållanden kommer mikroorganismerna att använda syre som en elektronacceptor. De resulterande produkterna är koldioxid (CO ₂ ) och vatten (H ₂ O). Exempel på aeroba förhållanden för mikrobiell biologisk nedbrytning inkluderar deponier och sediment.

Anaerob

Under anaeroba förhållanden kräver bristen på syre att bakterierna använder en annan källa för en elektronacceptor. Vanliga elektronacceptorer som används av anaeroba bakterier är sulfat, järn, nitrat, mangan och koldioxid. De resulterande produkterna under anaeroba förhållanden är koldioxid (CO ₂ ), vatten (H ₂ O) och metan (CH ₄ ).

En enkel kemisk ekvation för den anaeroba processen är:

C6H12O6 → _3CO2 + _3CH4_{_} _ _{_} _ _{_}

Exempel på anaeroba förhållanden för mikrobiell biologisk nedbrytning inkluderar jord och kompost.

Typer av biologiskt nedbrytbara tillsatser

Stärkelse

Stärkelse är en vanlig biologiskt nedbrytbar tillsats, och blandningar av syntetisk plast med stärkelse blir allt vanligare. Eftersom stärkelse är ett polymert kolhydrat, kan det konsumeras direkt av mikroorganismer. Stärkelse är en förnybar och billig resurs som är tillgänglig året runt, vilket gör den till en livskraftig biologiskt nedbrytbar tillsats.

Stärkelse kan omvandlas till plastpellets som sedan kan användas som en biologiskt nedbrytbar tillsats till andra plaster, såsom polyeten.

Även om stärkelse är en lovande biologiskt nedbrytbar tillsats, blandas den för närvarande endast med vissa syntetiska plaster. Blandningar av stärkelse och polyvinylalkohol (PVA) bryts ned fullständigt av olika mikrober eftersom båda komponenterna är biologiskt nedbrytbara. Tillsatsen av stärkelse kan dock öka nedbrytningshastigheten av PVA. Stärkelse- och polyesterblandningar har också visat sig vara helt biologiskt nedbrytbara. Närvaron av en kontinuerlig stärkelsefas tillåter direkt konsumtion av plasten av mikroorganismer eftersom materialet blir mer hydrofilt. Mikroorganismer kan direkt attackera och ta bort stärkelsen från plasten, vilket leder till dess nedbrytning. Stärkelse används oftast som en biologiskt nedbrytbar tillsats för både lågdensitetspolyeten (LDPE) och högdensitetspolyeten (HDPE). Eftersom polyeten används för ett brett spektrum av användningsområden, från plastpåsar till vattenflaskor av plast till utemöbler, slängs stora mängder PE-plast varje år, och att fastställa sätt att öka dess biologiska nedbrytbarhet har blivit ett viktigt forskningsområde.

Cornplast, producerat av National Corn Grower Association (USA), är en specifik stärkelsetillsats som kan användas för att öka den biologiska nedbrytbarheten av syntetisk polyeten. Cornplast är ett material vars sammansättning är 20% polyeten och 80% stärkelse. 50-50 viktprocent blandningar av Cornplast med både LDPE och HDPE har studerats för att bestämma effektiviteten av stärkelse som en biologiskt nedbrytbar tillsats.

Bioaugmentation

Tillsats av vissa mikrobiella stammar till plast kallas bioaugmentation, och det är en metod för att öka den biologiska nedbrytbarheten av plast. Bioaugmentation har använts för att öka nedbrytbarheten av redan komposterbara plaster, såsom poly(mjölksyra) (PLA) . Att kompostera plast är ett lovande alternativ till att kassera plast på deponier. En plast kräver dock vissa egenskaper för att vara komposterbar. För att öka plastens komposterbarhet och biologiska nedbrytbarhet är bioaugmentering en metod för att direkt tillsätta mikroorganismer till plasten. I det här fallet är de biologiskt nedbrytbara tillsatserna själva mikroberna.

Experiment måste göras för att fastställa vilka specifika mikrobiella stammar som finns i komposten som faktiskt kan binda till plasten för att fastställa potentiella källor för bioaugmentation. Dessa experiment måste göras för olika plaster, eftersom skillnaderna i plasternas egenskaper kommer att påverka den mikrobiella stammens bindningsförmåga. För att avgöra om stammen av mikroorganismen bryter ned plasten, används vanligtvis mätningar av mängden koldioxid som finns eftersom koldioxid är en produkt av både aerob och anaerob mikrobiell nedbrytning. För att bekräfta att mikroorganismerna som studeras attraheras av en viss typ av plast är det viktigt att den syntetiska plasten är den enda kolkällan i experimentkomposten eller jorden. Om det finns ett betydande utsläpp av koldioxid betyder det att mikroorganismen framgångsrikt har förbrukat kolet i plasten.

Ett exempel på en stam av mikrober som har använts för framgångsrik bioaugmentation av poly(mjölksyra) är Geobacillus thermoleovorans . Denna bakteriestam kan växa i både marina och terrestra förhållanden och kan använda en mängd olika sockerarter, kolväten och karboxylsyror som näringskällor. Geobacillus thermoleovorans fäster framgångsrikt till ytan av poly(mjölksyra), och experiment visar att denna kolonisering kommer att öka hastigheten för mikrobiell nedbrytning av plasten.

Pro-oxidant tillsatser

Pro-oxidantadditiv ökar hastigheten för både termooxidation och fotooxidation, vilket resulterar i en större mängd lågmolekylära extraherbara föreningar. Mikrobiella stammar kan sedan effektivt attackera kolet i dessa lågmolekylära fragment av polymererna med stor kedja.

Prooxidantadditiv används vanligtvis för att öka hastigheten för biologisk nedbrytning av polyeten- och polyetenfilmer. Polyeten är en mycket vanlig polymer som används i många vanliga plastprodukter, såsom vattenflaskor, matkassar och avloppsrör. Dess höga molekylvikt hindrar dock mikroorganismernas förmåga att naturligt bryta ned materialet. Pro-oxidantadditiv har varit effektiva för att öka den biologiska nedbrytbarheten av polyeten genom att skapa mindre fragment av polymeren.

Typiska prooxidantadditiv är övergångsmetallkomplexen eller transienta metalljoner, som tillsätts plasten i form av stearat eller andra organiska ligandkomplex. De vanligaste metallerna som används som prooxidanter är järn (Fe) , mangan (Mn) och kobolt (Co) . Fe-komplex ökar fotooxidationshastigheten genom att tillhandahålla en radikalkälla för initieringssteget i processen att skapa fragment med mindre molekylvikt. Användningen av sådana OXO-bionedbrytande tillsatser förbjöds i EU 2019 på grund av farhågor om att behandlad plast inte bryts ned fullständigt och istället resulterar i en accelererad bildning av mikroplaster .

Aktuell forskning om biologisk nedbrytning av polyeten har visat att den biologiska nedbrytningen initialt går ganska snabbt när prooxidanta tillsatser ingår i plasten, troligen på grund av mikroorganismernas snabba konsumtion av plastfragmenten med låg molekylvikt.

Testning av biologiskt nedbrytbara tillsatser

Testmetoder

Flera tester kan göras på en viss plast för att avgöra om en potentiell tillsats ökar dess biologiska nedbrytbarhet.

Jämförelse av förändringarna i plastens fysikaliska egenskaper både med och utan potentiella biologiskt nedbrytbara tillsatser under hela nedbrytningsprocessen kan ge insikt i tillsatsens effektivitet. Om nedbrytningen påverkas avsevärt med tillsatsen av tillsatsen kan det tyda på att den biologiska nedbrytningen förbättras. Några viktiga fysikaliska egenskaper som kan mätas experimentellt är draghållfasthet, molekylvikt, elasticitet och kristallinitet. Att mäta plastens fysiska utseende före och efter potentiell mikrobiell biologisk nedbrytning kan också ge insikt i nedbrytningens effektivitet.

Termisk analys är en användbar metod för att karakterisera effekterna av nedbrytning på de fysikaliska egenskaperna hos polymerer. Information om den termiska stabiliteten och de kinetiska parametrarna för termisk nedbrytning kan erhållas genom termogravimetrisk analys. Dessa kinetiska parametrar ger information om nedbrytningen av molekylkedjor, en indikator på nedbrytning. Från mätningar av entalpier i smälttillstånd och kristallint tillstånd kan utvecklingen av kristallinitetsinnehållet i plast registreras. Förändringar av kristallinitet kan indikera att nedbrytningen antingen var framgångsrik eller misslyckad. Lamelltjockleksfördelning av plasten kan också mätas med hjälp av termiska analyser.

Ett annat sätt att fastställa effektiviteten av biologisk nedbrytning är genom att mäta mängden koldioxid och/eller metan som produceras av mikroorganismerna som bryter ned plasten. Eftersom koldioxid och metan är produkter från den mikrobiella nedbrytningsprocessen, tyder stora mängder av dessa produkter i luften på att den syntetiska plasten har förbrukats och omvandlats till energi.

Testa miljöförhållanden

Termooxidativa behandlingar

Termooxidativa behandlingar av syntetisk plast kan replikera de förhållanden under vilka en plast kommer att användas (t.ex. förvaring av vatten till en vattenflaska). Dessa tester kan användas för att observera förändringar i plasten under dess livslängd under en mycket kortare tidsperiod som skulle vara nödvändig för att naturligt observera plasten. Typiska luftatmosfärsförhållanden styrs med hjälp av specifik instrumentering (ex. Heraeus UT 6060 ugn) .

Jordbegravning

Accelererade jordbegravningstester används för att registrera nedbrytningsprocessen av plasten i marken genom att replikera förhållandena på en deponi, en typisk deponeringsplats för plast. Dessa tester används efter att materialets livslängd har förbrukats, och nästa steg för materialet är kassering. Typiskt begravs prover i biologiskt aktiv jord i sex månader och exponeras för luft för att säkerställa att det finns tillräckligt med syre så att den aeroba nedbrytningsmekanismen kan inträffa. De experimentella förhållandena måste återspegla de naturliga förhållandena nära, så jordens fuktighet och temperatur kontrolleras noggrant. Vilken typ av jord som används ska också registreras, eftersom det kan påverka nedbrytningsprocessen.

Specifika testmetoder

Följande testmetoder har godkänts av American Society for Testing and Materials:

ASTM D5511-12-testning är för "anerob biologisk nedbrytning av plastmaterial i en miljö med hög fasta ämnen under anaeroba matsmältningsförhållanden med hög fasta ämnen"
ASTM D5526-12-testning är för "Standardtestmetod för bestämning av anaerob biologisk nedbrytning av plastmaterial under accelererade deponeringsförhållanden "
ASTM D5210-07-testning är för "Standardtestmetod för att bestämma den anaerobiska biologiska nedbrytningen av plastmaterial i närvaro av kommunalt avloppsslam "

Laboratorier som utför ASTM-testmetoder

Eden Research Labs
Respirtek
NE Laboratories
NSF

Miljöpåverkan

Stora markområden är för närvarande täckta av plastavfall. Biologiskt nedbrytbara tillsatser kommer att hjälpa till att påskynda den biologiska nedbrytningsprocessen av plast så att plastuppsamlingar blir mindre frekventa.

Biologiskt nedbrytbara tillsatser har potential att avsevärt minska ansamlingen av plast i miljön. Plast finns överallt i vardagen och produceras och kasseras i enorma mängder varje år. Många vanliga plaster, såsom polyeten, polypropen, polystyren, poly(vinylklorid) och poly(etylentereftalat), som finns i de flesta konsumentprodukter är inte biologiskt nedbrytbara. Dessutom återvinns endast cirka 9-10 % av kasserad plast varje år. Icke biologiskt nedbrytbar plast ackumuleras i miljön, vilket hotar människors, djurs och miljöns hälsa.

Nuvarande lösningar för att hantera mängden plast som slängs är att bränna plasten och dumpa den på stora fält eller deponier. Förbränning av plast leder till betydande mängder luftföroreningar, vilket är skadligt för människors och djurs hälsa. När plast dumpas på fält eller soptippar kan plast orsaka förändringar i jordens pH, vilket leder till infertilitet i jorden. Dessutom konsumeras plastflaskor och plastpåsar som hamnar på soptippar ofta av djur, vilket sedan täpper till deras matsmältningssystem och leder till döden.

På grund av den kraftiga ökningen av plastkonsumtionen blir biologiskt nedbrytbara tillsatser alltmer nödvändiga för att öka nedbrytbarheten hos vanliga plaster. Aktuell forskning är inriktad på att hitta nya biologiskt nedbrytbara tillsatser som kommer att förkorta nedbrytningsprocessen från att ta årtionden till århundraden till att bara ta några månader till några år.

Tillverkare av biologiskt nedbrytbara tillsatser