A maioria dos plásticos compostáveis, feitos principalmente de poliéster conhecido como ácido polilático, ou PLA, acabam em aterros sanitários e duram tanto quanto os plásticos.
Os plásticos biodegradáveis foram anunciados como uma solução para o problema de poluição do plástico que atormenta o mundo, mas os sacos plásticos “compostáveis” de hoje, utensílios e tampas de copos não quebram durante a compostagem normal e contaminam outros plásticos recicláveis, criando dores de cabeça para os recicladores. A maioria dos plásticos compostáveis, feitos principalmente de poliéster conhecido como ácido polilático, ou PLA, acabam em aterros sanitários e duram tanto quanto os plásticos.
Cientistas da Universidade da Califórnia, em Berkeley, agora inventaram uma maneira de fazer esses plásticos compostáveis se decomporem mais facilmente, com apenas calor e água, em poucas semanas, resolvendo um problema que confundiu a indústria de plásticos e os ambientalistas.
“As pessoas agora estão preparadas para migrar de polímeros biodegradáveis para plásticos de uso único, mas se descobrir que isso cria mais problemas do que vale a pena, então a política pode voltar atrás”, disse Ting Xu , professor de ciência de materiais e engenharia da UC Berkeley e de química. “Basicamente, estamos dizendo que estamos no caminho certo. Podemos resolver este problema contínuo de plásticos descartáveis não serem biodegradáveis.”
A nova tecnologia deveria teoricamente ser aplicável a outros tipos de plásticos de poliéster, talvez permitindo a criação de recipientes plásticos compostáveis, que atualmente são feitos de polietileno, um tipo de poliolefina que não se degrada. Xu acredita que os plásticos poliolefínicos são mais bem transformados em produtos de alto valor, não em composto, e está trabalhando em maneiras de transformar plásticos poliolefínicos reciclados para reutilização.
Um filamento de plástico de PCL (policaprolactona) extrudado por fusão (à esquerda) com nanoclusters incorporados da enzima lipase envolta em RHP degradou-se quase completamente em pequenas moléculas dentro de 36 horas em água morna (104 F). (Fotos de Christopher DelRe).
O novo processo envolve a incorporação de enzimas que comem poliéster no plástico à medida que ele é feito. Essas enzimas são protegidas por um invólucro de polímero simples que evita que a enzima se desembaraça e se torne inútil. Quando exposta ao calor e à água, a enzima remove sua cobertura de polímero e começa a triturar o polímero plástico em seus blocos de construção – no caso do PLA, reduzindo-o a ácido lático, que pode alimentar os micróbios do solo em composto. A embalagem de polímero também se degrada.
O processo elimina os microplásticos, um subproduto de muitos processos de degradação química e um poluente por si só. Até 98% do plástico feito com a técnica de Xu se degrada em pequenas moléculas. Um dos co-autores do estudo, o ex-aluno de doutorado da UC Berkeley Aaron Hall , cindiu uma empresa para desenvolver ainda mais esses plásticos biodegradáveis.
Fazendo o plástico se autodestruir
Os plásticos são projetados para não quebrar durante o uso normal, mas isso também significa que eles não quebram depois de descartados. Os plásticos mais duráveis têm uma estrutura molecular quase cristalina, com fibras poliméricas alinhadas tão firmemente que a água não consegue penetrá-las, muito menos micróbios que podem mastigar os polímeros, que são moléculas orgânicas.
Enzimas como a lipase (bolas verdes) podem degradar os polímeros plásticos da superfície (canto superior esquerdo), mas cortam o polímero aleatoriamente, deixando os microplásticos para trás (canto superior direito). Um grupo da UC Berkeley incorporou nanoclusters de enzimas em todo o plástico (parte inferior esquerda), protegidos por heteropolímeros aleatórios (cadeias de bolas coloridas). As enzimas incorporadas são imobilizadas próximo ao final das cadeias de polímero e, nas condições corretas de calor e umidade, degradam as moléculas de polímero principalmente da extremidade da cadeia. Essa técnica mantém a integridade do plástico durante o uso, mas, quando o usuário dispara a despolimerização, o plástico desce até os subprodutos recicláveis de pequenas moléculas. (Imagem de Christopher DelRe).
A ideia de Xu era incorporar enzimas comedoras de polímeros em nanoescala diretamente em um plástico ou outro material de uma forma que os sequestrasse e os protegesse até que as condições certas os liberassem. Em 2018, ela mostrou como isso funciona na prática. Ela e sua equipe da UC Berkeley incorporaram em uma esteira de fibra uma enzima que degrada produtos químicos organofosforados tóxicos, como aqueles em inseticidas e agentes químicos de guerra. Quando a esteira foi imersa na substância química, a enzima incorporada quebrou o organofosfato.
Sua principal inovação foi uma forma de evitar que a enzima se desintegrasse, o que as proteínas normalmente fazem fora de seu ambiente normal, como uma célula viva. Ela projetou moléculas que chamou de heteropolímeros aleatórios, ou RHPs, que envolvem a enzima e a mantêm unida com cuidado, sem restringir sua flexibilidade natural. As RHPs são compostas por quatro tipos de subunidades monoméricas, cada uma com propriedades químicas projetadas para interagir com grupos químicos na superfície da enzima específica. Eles se degradam sob a luz ultravioleta e estão presentes em uma concentração de menos de 1% do peso do plástico – baixo o suficiente para não ser um problema.
Para a pesquisa relatada no artigo da Nature, Xu e sua equipe usaram uma técnica semelhante, envolvendo a enzima em RHPs e incorporando bilhões dessas nanopartículas em grânulos de resina plástica que são o ponto de partida para toda a fabricação de plástico. Ela compara esse processo à incorporação de pigmentos em plástico para colori-los. Os pesquisadores mostraram que as enzimas envoltas em RHP não mudavam o caráter do plástico, que poderia ser derretido e extrudado em fibras como o plástico de poliéster normal a temperaturas em torno de 170 graus Celsius, ou 338 graus Fahrenheit.
Um filme de plástico PLA (ácido polilático) imediatamente após ser colocado no composto (esquerda) e após uma semana no composto (direita). Incorporado a uma enzima, o plástico PLA pode se biodegradar em moléculas simples, tornando-se promissor como uma alternativa futura a um plástico não degradável. (Foto da UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering).
Para desencadear a degradação, bastava adicionar água e um pouco de calor. À temperatura ambiente, 80% das fibras de PLA modificadas degradaram-se inteiramente em cerca de uma semana. A degradação foi mais rápida em temperaturas mais altas. Em condições de compostagem industrial, o PLA modificado degradou-se em seis dias a 50 graus Celsius (122 F). Outro plástico de poliéster, PCL (policaprolactona), degradado em dois dias sob condições de compostagem industrial a 40 graus Celsius (104 F). Para o PLA, ela incorporou uma enzima chamada proteinase K, que transforma o PLA em moléculas de ácido láctico; para PCL, ela usou lipase. Ambas são enzimas baratas e prontamente disponíveis.
“Se você tiver a enzima apenas na superfície do plástico, ela se soltará muito lentamente”, disse Xu. “Você quer que seja distribuído nanoscopicamente em todos os lugares, de modo que, essencialmente, cada um deles precise apenas comer seus vizinhos de polímero e, então, todo o material se desintegre.
Compostagem
A rápida degradação funciona bem com a compostagem municipal, que normalmente leva de 60 a 90 dias para transformar alimentos e resíduos vegetais em composto utilizável. A compostagem industrial em altas temperaturas leva menos tempo, mas os poliésteres modificados também se decompõem mais rapidamente nessas temperaturas.
O aluno de graduação Ivan Jayapurna com um filme de amostra de PCL (policaprolactona), um novo plástico de poliéster biodegradável. O PCL com enzimas incorporadas tem propriedades mecânicas muito semelhantes às do polietileno de baixa densidade, tornando-se uma alternativa futura promissora aos plásticos não biodegradáveis. (Foto da UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering).
Xu suspeita que temperaturas mais altas fazem com que a enzima envolvida se mova mais, permitindo que ela encontre mais rapidamente o final de uma cadeia de polímero e mastigue-a e então prossiga para a próxima cadeia. As enzimas envoltas em RHP também tendem a se ligar perto das extremidades das cadeias de polímero, mantendo as enzimas próximas de seus alvos.
Os poliésteres modificados não se degradam em temperaturas mais baixas ou durante breves períodos de umidade, disse ela. Uma camisa de poliéster feita com esse processo resistiria ao suor e à lavagem em temperaturas moderadas, por exemplo. A imersão em água por três meses em temperatura ambiente não causou a degradação do plástico. Imersão em água morna leva à degradação, como ela e sua equipe demonstraram.
“Acontece que a compostagem não é suficiente – as pessoas querem fazer compostagem em suas casas sem sujar as mãos, querem fazer compostagem na água”, disse ela. “Então, isso é o que tentamos ver. Usamos água morna da torneira. Basta aquecê-lo até a temperatura certa, colocá-lo e veremos que em alguns dias ele desaparece.”
Xu está desenvolvendo enzimas envoltas em RHP que podem degradar outros tipos de plástico de poliéster, mas também está modificando os RHPs para que a degradação possa ser programada para parar em um ponto especificado e não destruir completamente o material. Isso pode ser útil se o plástico tiver que ser fundido novamente e transformado em um novo plástico.
O projeto é parcialmente apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército do Departamento de Defesa, um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA.
“Esses resultados fornecem uma base para o projeto racional de materiais poliméricos que podem se degradar em escalas de tempo relativamente curtas, o que pode fornecer vantagens significativas para a logística do Exército relacionada ao gerenciamento de resíduos”, disse Stephanie McElhinny, Ph.D., gerente de programa do Army Research Escritório. “De forma mais ampla, esses resultados fornecem insights sobre estratégias para a incorporação de biomoléculas ativas em materiais de estado sólido, o que pode ter implicações para uma variedade de capacidades futuras do Exército, incluindo materiais de detecção, descontaminação e autocura.”
Um filme de plástico PLA (ácido polilático) incorporado com uma enzima para torná-lo biodegradável rapidamente em composto normal. (Foto da UC Berkeley por Adam Lau / Berkeley Engineering).
Xu disse que a degradação programada pode ser a chave para reciclar muitos objetos. Imagine, disse ela, usar cola biodegradável para montar circuitos de computador ou até telefones ou eletrônicos inteiros e, ao terminar, dissolver a cola para que os aparelhos se desfaçam e todas as peças possam ser reaproveitadas.
“É bom para a geração do milênio pensar sobre isso e iniciar uma conversa que mudará a forma como nos relacionamos com a Terra”, disse Xu. “Veja todo o lixo que jogamos fora: roupas, sapatos, eletrônicos como celulares e computadores. Estamos tirando coisas da terra em um ritmo mais rápido do que podemos devolvê-las. Não volte para a Terra para extrair esses materiais, mas extraia tudo o que você tiver e, em seguida, converta-o em outra coisa.”
Os co-autores do artigo incluem Christopher DelRe, Yufeng Jiang, Philjun Kang, Junpyo Kwon, Aaron Hall, Ivan Jayapurna, Zhiyuan Ruan, Le Ma, Kyle Zolkin, Tim Li e Robert Ritchie da UC Berkeley; Corinne Scown, do Berkeley Lab; e Thomas Russell da Universidade de Massachusetts em Amherst. O trabalho foi financiado principalmente pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (DE-AC02-05-CH11231), com assistência do Escritório de Pesquisa do Exército e do programa Bakar Fellowship da UC Berkeley.
Fonte: Berkeley – News
Tradução e adaptação por Renata Mafra
