CRISPRin kaltainen polymeerien muokkaus voisi muuttaa muovinkierrätystä

Muovinkierrätyksen uudet mahdollisuudet

Muovit yleistyivät teollisuudessa 1960-luvulta alkaen ja ovat nykyään kaikkialla arjessa. Ne aiheuttavat myös vakavaa ympäristökuormitusta, erityisesti mikromuovien muodossa. Nämä pienet muovihiukkaset leviävät sekä maa- että meriympäristöihin.

Tutkimuksissa mikromuovien on havaittu voivan heikentää joidenkin antibioottien tehoa. Hiukkasia on myös löydetty ihmisen kudoksista, ja merieläimet syövät niitä. Vaikutuksia ihmisten terveyteen tutkitaan edelleen.

Olemassa olevan mikromuovisaasteen vähentämiseksi tutkitaan monia keinoja, kuten kestävyysmittareiden käyttöönottoa, myrkyttömien vettä hylkivien liuottimien käyttöä sekä muovin uudelleenkäyttöä lasereilla tai valokatalyysillä.

Samaan aikaan ExxonMobilin kaltaisia yhtiöitä vastaan on nostettu kanteita muovien kierrätettävyyttä koskevien väitteiden vuoksi (XOM ).

Monet muovisaasteen torjuntakeinot ovat kalliita, mikä vaikeuttaa niiden laajaa käyttöönottoa. Täydentävä ratkaisu olisi tehdä muovijätteestä arvokkaampien materiaalien raaka-ainetta, jolloin jätteen keräämiselle ja käsittelylle syntyisi vahvempi taloudellinen kannustin.

Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat ovat kehittäneet tähän tarkoitukseen menetelmän, jolla muovijätettä voidaan jalostaa suorituskykyisemmiksi materiaaleiksi. Tulokset julkaistiin Journal of the American Chemical Society -lehdessä nimellä ”Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Paradigm for Upcycling”¹.

Miksi perinteinen kierrätys ei riitä?

Muovia kierrätetään jo, mutta prosessi on kaukana täydellisestä. Tutkijat kuvaavat tavanomaista mekaanista kierrätystä ilmaisulla ”sulata ja toivo parasta”.

Monissa muoveissa jokainen mekaaninen kierrätyskierros heikentää polymeeriketjuja ja voi alentaa tuotteen lujuutta, väriä ja käyttöikää. Kuumuus, hapettuminen, epäpuhtaudet ja eri materiaalien sekoittuminen vaikuttavat tähän heikkenemiseen.

Siksi monia muoveja voidaan käyttää uudelleen vain rajallinen määrä kertoja, ennen kuin ne eivät enää täytä suorituskykyvaatimuksia ja päätyvät jätteeksi.

Joitakin muovilajeja ei voida käytännössä kierrättää tällä menetelmällä lainkaan, joten ne päätyvät usein poltettaviksi tai kaatopaikalle.

Kansainvälisten arvioiden mukaan vain pieni osa muovijätteestä kierrätetään; usein mainittu maailmanlaajuinen osuus on noin 9 prosenttia.

Lähde: PureCycle Technologies

Jalostava kierrätys tavallisen kierrätyksen sijaan

Jalostavassa kierrätyksessä tavoitteena on tuottaa lähtömateriaalia arvokkaampi tai ominaisuuksiltaan parempi lopputuote.

Tässä lähestymistavassa muovin polymeeriketjuja järjestellään hallitusti uudelleen. Rakenteen kohdennettu ”muokkaus” sai tutkijat vertaamaan menetelmää CRISPR-geenimuokkaukseen. Vertaus on kuvaannollinen: kemiallisessa menetelmässä ei käytetä CRISPR-teknologiaa.

Ryhmä työskenteli nykyisin huonosti tai ei lainkaan kierrätettävien materiaalien kanssa. Näitä olivat pehmeä polybutadieeni, jota käytetään yleisesti renkaissa, sekä luja akryylinitriilibutadieenistyreeni eli ABS, jota on muun muassa leluissa, näppäimistöissä, ilmanvaihtoputkissa, suojakypärissä, ajoneuvojen osissa ja kodinkoneissa.

”Tällä teknologialla käsittelemme merkittävää osaa jätevirrasta. Jo nykyisin kaatopaikoille päätyvien materiaalien massan ja energian säilyttäminen voisi vaikuttaa huomattavasti.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Prosessin ”atomitalous” on korkea, eli suuri osa lähtöaineiden atomeista päätyy lopputuotteeseen. Tämä ei kuitenkaan yksin mittaa prosessin energiankulutusta tai koko ympäristöjalanjälkeä.

Näin menetelmä toimii

Vahvojen polymeerien valmistamiseksi jätteestä tutkijat loivat ensin lisäaineen, joka sekoitetaan olemassa olevaan muoviin.

Lähde: Journal of the American Chemical Society

Lisäainetta varten polybutadieeni ja ABS hienonnettiin ja liuotettiin dikloorimetaaniin. Reaktio tapahtui 40 °C:ssa ja valmistui alle kahdessa tunnissa.

Reaktio tarvitsi myös katalyytin, ja ryhmä käytti ruteeniyhdistettä. Ruteenikatalyyttejä käytetään metateesireaktioissa ja muissa kemiallisissa muunnoksissa, myös joidenkin biomassapohjaisten raaka-aineiden käsittelyssä.

Yksinkertaistettuna ruteenikatalyytti helpottaa ketjujen osien uudelleenjärjestymistä niin, että syntyy pidempiä tai rakenteeltaan erilaisia polymeerejä. Katalyytti ei itse muodosta lopputuotteen rakennetta.

Metateesissa hiili-hiili-kaksoissidoksia järjestellään uudelleen, jolloin molekyylien osat vaihtuvat ja uusia ketjuja voi muodostua.

Menetelmän ensimmäinen osa, renkaanavaava metateesipolymerointi, avaa rengasmaisia molekyylejä ja muodostaa niistä pitkiä polymeeriketjuja. Toinen osa, ristimetateesi, vaihtaa osia eri ketjujen välillä.

Lähde: Sigma Aldrich

Työ toteutettiin yhteistyönä: osa tutkijoista optimoi polymerointia, osa seurasi reaktioita reaaliajassa ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla (NMR), ja muut testasivat lopullisten materiaalien mekaanisia ja lämpöominaisuuksia.

Vahvoja laboratoriotuloksia

Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat osoittivat laboratoriomittakaavassa, että prosessi voi sisällyttää jätemateriaalia polymeeriin heikentämättä sen laatua. Väitteet pienemmästä energiankulutuksesta ja päästöistä edellyttävät vielä kattavaa elinkaariarviointia suuremmassa mittakaavassa.

Jalostettu muovi osoitti kokeissa hyviä lämpö- ja mekaanisia ominaisuuksia. Paremmuus riippuu kuitenkin koostumuksesta ja käyttökohteesta, eikä sitä ole osoitettu kaikille jätevirroille tai teollisessa mittakaavassa.

Muovin jalostavan kierrätyksen seuraavat vaiheet

Menetelmän laajentaminen muihin muoveihin

Menetelmä on osoitettu tietyillä polymeereillä, ja sitä voidaan mahdollisesti soveltaa muihin sopivia reaktiivisia ryhmiä sisältäviin materiaaleihin. Dikloorimetaanin korvaaminen turvallisemmalla ja ympäristölle vähemmän haitallisella liuottimella on myös tärkeä tavoite.

”Tavoitteena on, että konsepti voitaisiin laajentaa kaikkiin polymeereihin, joiden runkorakenteessa on reaktioon soveltuva funktionaalinen ryhmä.

Jos menetelmä voidaan skaalata ja siihen voidaan liittää muita lisäaineita, useammista jätelajeista voitaisiin ottaa talteen molekyylien rakennusosia ja vaikeasti käsiteltävien muovien ympäristövaikutuksia voitaisiin pienentää merkittävästi.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Prosessin taloudellinen kannattavuus on vielä epäselvä. Melko matala lämpötila ja lyhyt reaktioaika ovat myönteisiä tekijöitä, mutta katalyytin, liuottimen, talteenoton ja mittakaavan kustannukset on arvioitava.

Muovien ulkopuoliset sovellukset

Muoveille käytettyä kemiaa voitaisiin tutkia myös muiden materiaalien käsittelyssä.

Tutkijat pitävät erityisen kiinnostavana sovelluksia kertamuoveissa. Niihin kuuluvat epoksihartsit, vulkanoitu kumi, polyuretaani ja silikoni.

Kertamuoveja ei voi kovettumisen jälkeen sulattaa ja muotoilla uudelleen, mikä tekee niiden kierrätyksestä vaikeaa.

Menetelmä kohdistuu ristisilloitettuun molekyylirakenteeseen, joten sitä voitaisiin periaatteessa soveltaa vastaaviin sidoksiin kertamuoveissa.

Koska uudelleenpolymerointia voidaan säätää, lopputuotteen ominaisuuksia voi olla mahdollista muokata. Koostumuksesta riippuen materiaali voisi olla lähtöpolymeeriä pehmeämpää ja venyvämpää tai helpommin muotoiltavaa ja kovetettavaa. Mahdollisuudet on vahvistettava erikseen jokaiselle materiaalille ja käyttökohteelle.

Johtopäätökset

Jalostava kierrätys on lupaava keino lisätä muovijätteen hyödyntämistä, koska se voi tuottaa arvokkaampia tuotteita. Vaikutus maailmanlaajuiseen kierrätysasteeseen riippuu kuitenkin kustannuksista, skaalauksesta, keräyksestä ja kysynnästä.

Muovin käytön vähentäminen, mikromuovien poistaminen, biomuovien kehittäminen — katso ”5 johtavaa biomuoviyhtiötä” — ja jalostava kierrätys voivat kaikki olla osa laajempaa ratkaisua.

Yhdessä jätteen synnyn ehkäisyn ja uudelleenkäytön kanssa ne voivat tukea kiertotaloutta, joka kuluttaa vähemmän luonnonvaroja ja aiheuttaa vähemmän saasteita.

Kierrätysyhtiö

PureCycle Technologies

PureCycle on polypropeeniin (PP) keskittyvä kierrätysyhtiö, jonka tavoitteena on muuttaa PP-jäte erittäin puhtaaksi kierrätyshartsiksi.

Yhtiö on kehittänyt oman prosessin, jolla PP-jätteestä poistetaan polyeteeniä, kiinteitä aineita, pigmenttejä ja muita epäpuhtauksia.

Lähde: PureCycle Technologies

Uuttoprosessi eroaa tavanomaisesta mekaanisesta käsittelystä, jossa haju, väri tai epäpuhtaudet voivat rajoittaa kierrätetyn PP:n käyttökohteita. Laatu riippuu raaka-aineesta ja käsittelylinjasta.

Kemiallinen kierrätys on toinen vaihtoehto, mutta energiankulutus, päästöt ja kustannukset vaihtelevat huomattavasti teknologian ja laitoksen mukaan.

Lähde: PureCycle Technologies

PureCycle kertoo hartsinsa saaneen FDA:lta no-objection-kirjeitä tiettyihin elintarvikekosketuksen käyttötarkoituksiin määrätyin ehdoin. Yhtiön kohdemarkkinoita ovat kuidut, pakkauskalvot, ruiskuvaletut pakkaukset ja ajoneuvojen muoviosat.

Yhtiön viittaaman elinkaariarvioinnin mukaan prosessi voi kuluttaa noin 79 prosenttia vähemmän energiaa ja aiheuttaa noin 35 prosenttia vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä kuin neitseellisen PP:n valmistus. Tulokset riippuvat oletuksista ja laitoksen todellisesta toiminnasta.

Yhtiö rakensi pellettituotantolaitoksen Irontoniin Ohioon ja ilmoitti ensimmäisestä tuotannosta kesäkuussa 2023 osana prosessin kaupallistamista.

PureCycle on ilmoittanut suunnitelmista rakentaa laitoksia Pohjois-Amerikkaan ja Eurooppaan sekä tehdä Aasiassa yhteistyötä SK geo centricin kanssa. Tavoite 630 miljoonan paunan vuotuisesta kapasiteetista vuoteen 2027 mennessä oli yhtiön suunnitelma, ei varma tulos.

Lähde: PureCycle Technologies

Yhtiö ilmoitti Irontonissa tuotetun 3,5 miljoonaa paunaa pellettejä vuoden 2024 kolmannella neljänneksellä, noin kolminkertaisesti edelliseen neljännekseen verrattuna, ja kertoi joidenkin laatumittareiden parantuneen.

PureCycle tarjoaa sijoittajalle altistuksen PP:n puhdistusteknologialle, mutta toiminnan skaalaamiseen, rahoitukseen, laitoksen luotettavuuteen, kysyntään ja kilpailuun liittyy olennaisia riskejä. Yhtiön esittely ei ole sijoitussuositus.

Tutkimusviite:

^{1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024). Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Paradigm for Upcycling. Journal of the American Chemical Society, 146(48), 33084–33092. DOI: 10.1021/jacs.4c10588}