CRISPR untuk Mengedit Polimer Dapat Mengubah Upaya Daur Ulang Global

Membuka Potensi Daur Ulang Plastik

Sejak plastik mulai digunakan secara luas oleh industri manufaktur pada 1960-an, material ini telah menjadi bagian dari hampir setiap aspek kehidupan sehari-hari. Limbah plastik yang tidak dikelola dengan baik juga menjadi sumber pencemaran serius, termasuk mikroplastik—fragmen kecil yang ditemukan di berbagai lingkungan di seluruh dunia.

Mikroplastik dapat memengaruhi sistem biologis, dan sejumlah studi antara lain meneliti kemungkinan dampaknya terhadap antibiotik. Partikel telah dilaporkan dalam jaringan manusia dan tertelan oleh organisme laut. Penemuan partikel menunjukkan paparan, tetapi tidak dengan sendirinya membuktikan penyakit atau risiko klinis tertentu.

Strategi untuk menangani mikroplastik yang sudah ada meliputi pengukuran dan desain produk yang lebih baik, pemisahan dengan pelarut, serta pengolahan ulang plastik dengan laser atau fotokatalisis berbasis cahaya. Metode tersebut menargetkan aliran limbah yang berbeda dan belum tentu dapat ditingkatkan skalanya atau ekonomis.

Gugatan, termasuk terhadap ExxonMobil (XOM ), mempertanyakan cara produsen plastik memasarkan daur ulang. Tuduhan dalam gugatan harus dibedakan dari putusan pengadilan yang final.

Banyak langkah penanggulangan pencemaran plastik mahal atau memerlukan infrastruktur khusus. Upcycling dapat meningkatkan nilai limbah dan memperkuat insentif pengumpulan, tetapi keekonomiannya bergantung pada pemilahan, prapengolahan, energi, pelarut, katalis, mutu produk, dan pasar.

Para peneliti di Oak Ridge National Laboratory (ORNL) meneliti metode yang menggunakan polimer limbah tertentu sebagai aditif dalam material baru. Hasilnya diterbitkan di Journal of the American Chemical Society dengan judul “Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm”¹. Studi ini merupakan bukti konsep laboratorium untuk polimer tertentu, bukan proses universal untuk mendaur ulang semua plastik.

Mengapa Daur Ulang Tradisional Tidak Cukup?

Plastik memang telah didaur ulang, tetapi daur ulang mekanis dapat menurunkan mutu material melalui siklus peleburan dan pemrosesan berulang. Para peneliti menggambarkannya secara sederhana sebagai “lelehkan dan berharap hasil terbaik”.

Panas, oksidasi, pencampuran jenis yang berbeda, dan kontaminasi dapat memperpendek atau mengubah rantai polimer. Hasilnya dapat memiliki sifat mekanis yang lebih lemah, warna berubah, atau daya tahan menurun, meskipun hasilnya berbeda menurut jenis plastik dan kendali proses.

Beberapa jenis plastik dapat didaur ulang secara mekanis beberapa kali, tetapi penurunan mutu dan bahan tambahan membatasi jumlah siklus. Pemilahan yang baik, stabilisasi, dan penggunaan pada produk yang sesuai dapat memperpanjang masa pakainya.

Termoset, material berlapis, aliran yang terkontaminasi, dan elastomer tertentu sangat sulit didaur ulang secara mekanis dan sering dibakar atau ditimbun.

ORNL mengutip perkiraan global bahwa sekitar 9% limbah plastik didaur ulang. Angka ini berbeda menurut negara, polimer, definisi, dan tahun, serta tidak boleh disamakan dengan proporsi seluruh plastik yang pernah diproduksi.

Sumber: PureCycle Technologies

Upcycling Alih-alih Daur Ulang

Dalam “upcycling”, limbah diupayakan memperoleh sifat atau nilai yang lebih tinggi daripada aliran limbah awalnya. Hal ini tidak berarti produk tersebut selalu lebih baik dalam setiap ukuran dibandingkan material murni.

Metode ORNL menggunakan reaksi terkendali pada rantai polimer. Perbandingan dengan pengeditan DNA dengan CRISPR adalah metafora komunikasi; metatesis kimia tersebut bukan pengeditan gen biologis.

Para peneliti menggunakan polibutadiena, yang antara lain terdapat pada produk karet, dan akrilonitril-butadiena-stirena (ABS), yang digunakan pada mainan, papan ketik, pipa, perlengkapan pelindung, komponen kendaraan, dan peralatan rumah tangga. Aliran limbah ini sering kurang baik didaur ulang, tetapi studi tersebut tidak mencakup seluruh ragam produk jadi.

“Dengan teknologi ini, kami menangani komponen penting dalam aliran limbah. Dampaknya dapat besar karena massa dan energi dari material yang kini masuk ke tempat pembuangan dapat dipertahankan.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Proses tersebut memiliki “ekonomi atom” yang tinggi untuk reaksi yang diteliti: polialkenamer terinkorporasi secara kuantitatif ke dalam material hasil sintesis. Ini tidak sama dengan kemampuan memulihkan aliran limbah campuran tanpa kehilangan atau prapengolahan.

Bagaimana Cara Kerjanya

Polimer limbah digunakan sebagai komponen transfer rantai dalam polimerisasi metatesis pembukaan cincin dan memengaruhi berat molekul, komposisi, serta sifat material baru.

Sumber: Journal of the American Chemical Society

Para peneliti mencacah polibutadiena dan ABS sintetis atau komersial lalu melarutkannya dalam diklorometana. Reaksi dilakukan pada 40°C selama kurang dari dua jam. Diklorometana adalah pelarut mudah menguap dan berbahaya bagi kesehatan, sehingga pemulihan, emisi, dan alternatif yang lebih aman menjadi pertimbangan utama untuk peningkatan skala.

Katalis rutenium memungkinkan polimerisasi. Katalis semacam ini dikenal dalam kimia metatesis, tetapi biaya, pemulihan logam, residu, dan masa pakainya perlu dinilai dalam proses industri.

Katalis memutus dan membentuk ikatan rangkap sehingga segmen polimer dapat bertukar posisi dan masuk ke rantai yang tumbuh. Katalis tidak secara harfiah “membawa” potongan plastik; ungkapan itu hanyalah penyederhanaan.

Metatesis melibatkan redistribusi di sekitar ikatan rangkap karbon-karbon. Keberadaan gugus reaktif semacam itu memungkinkan reaksi, tetapi tidak otomatis menghasilkan konversi tinggi untuk setiap jenis plastik.

Polimerisasi metatesis pembukaan cincin membuka olefin siklik dan membangun rantai polimer. Metatesis silang dapat mempertukarkan segmen antara molekul tak jenuh. Dalam studi ini, polimer limbah berfungsi sebagai agen transfer rantai dan aditif pada kopolimer baru.

Sumber: Sigma Aldrich

Proyek tersebut menggabungkan optimasi polimerisasi, analisis waktu nyata dengan resonansi magnetik nuklir (NMR), serta pengujian sifat mekanis dan termal material akhir.

Hasil yang Kuat

ORNL menyatakan bahwa proses laboratorium menggunakan lebih sedikit energi dan menghasilkan emisi lebih rendah dibandingkan daur ulang tradisional. Klaim ini perlu dikonfirmasi dengan analisis siklus hidup skala industri yang mencakup pemulihan pelarut, katalis, prapengolahan, dan limbah.

Material hasil sintesis mempertahankan karakter dari polimer limbah dan menunjukkan sifat termomekanis yang menjanjikan. Makna “lebih baik” bergantung pada sifat dan pembandingnya; studi tersebut tidak membuktikan keunggulan untuk semua penggunaan.

Langkah Selanjutnya dalam Upcycling Plastik

Upcycling Semua Plastik

Metode ini telah didemonstrasikan untuk polialkenamer seperti polibutadiena dan ABS sebagai agen transfer rantai dalam reaksi ROMP tertentu. Perluasan ke polimer lain memerlukan gugus reaktif yang sesuai, sedangkan pelarut yang lebih ramah lingkungan merupakan sasaran penelitian penting.

“Visinya adalah bahwa konsep ini dapat diperluas ke setiap polimer yang memiliki gugus fungsional reaktif pada rantai utamanya.

Jika ditingkatkan skalanya dan diperluas dengan aditif lain, lebih banyak kelas limbah dapat digunakan sebagai bahan penyusun molekuler sehingga dampak lingkungan dari plastik yang sulit diolah dapat dikurangi.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Keekonomian proses belum dibuktikan. Suhu reaksi rendah dan waktu singkat menguntungkan, tetapi biaya pemilahan, pelarut, rutenium, pemurnian, keselamatan, peralatan modal, dan kendali mutu dapat menentukan kelayakan.

Melebihi Plastik

Prinsip ini dapat diteliti untuk polimer tak jenuh dan bahan baku kimia lain, tetapi setiap aliran limbah memerlukan validasi tersendiri.

Para peneliti terutama ingin meneliti termoset, termasuk epoksi, karet vulkanisasi, poliuretan, dan silikon. Hal ini merupakan sasaran penelitian mendatang, bukan hasil yang telah didemonstrasikan dalam studi terbitan tersebut.

Termoset biasanya tidak dapat dilelehkan dan dibentuk ulang setelah mengeras karena strukturnya berikatan silang, sehingga daur ulang konvensional menjadi sulit.

Para peneliti ingin menguji apakah kimia metatesis dan aditif lain dapat digunakan untuk material termoset baru. Studi saat ini tidak menunjukkan bahwa termoset berikatan silang yang sudah jadi dapat didaur ulang dengan proses yang sama.

Polimerisasi yang dapat disesuaikan mungkin menghasilkan material dengan sifat berbeda, misalnya lebih elastis atau lebih mudah dikeraskan. Sifatnya harus dioptimalkan terhadap kebutuhan kekuatan, umur pakai, toksisitas, kemampuan didaur ulang, dan harga.

Kesimpulan

Upcycling dapat meningkatkan nilai aliran plastik tertentu dan memberikan insentif ekonomi yang lebih baik untuk pengumpulan. Upcycling saja tidak menyelesaikan rendahnya tingkat daur ulang global atau masalah pencampuran, kontaminasi, dan desain produk.

Pengurangan penggunaan plastik, pengumpulan yang lebih baik, penghilangan mikroplastik, material berbasis hayati atau lebih sirkular (lihat “Lima Perusahaan Bioplastik Teratas”), serta berbagai bentuk daur ulang mekanis, berbasis pelarut, dan kimia dapat menjadi bagian dari solusi.

Ekonomi sirkular seharusnya mengurangi pengambilan sumber daya baru, limbah, emisi, dan kebocoran ke lingkungan. Tujuannya bukan menjadi “lebih intensif sumber daya”, dan dampak bersih harus diukur sepanjang siklus hidup.

Perusahaan Daur Ulang

PureCycle Technologies

PureCycle Technologies mengembangkan pemurnian polipropilena (PP) berbasis pelarut untuk menghasilkan PP daur ulang dengan tingkat bau, warna, dan kontaminan yang rendah.

Perusahaan menggunakan proses pemurnian berlisensi yang dikembangkan Procter & Gamble untuk memisahkan warna, bau, dan kontaminan dari bahan baku PP. Proses ini tidak mempolimerisasi limbah dengan cara yang sama seperti metode ORNL.

Sumber: PureCycle Technologies

Proses tersebut berbeda dari pelelehan ulang mekanis dan dapat menangani beberapa pengotor, tetapi mutu produk tetap bergantung pada bahan baku, pemilahan, operasi, dan kualifikasi pelanggan.

Daur ulang kimia dan pemurnian berbasis pelarut mencakup banyak proses dengan penggunaan energi, emisi, dan biaya yang sangat berbeda. Keduanya tidak dapat secara umum ditolak atau disebut ramah lingkungan tanpa analisis siklus hidup yang sebanding.

Sumber: PureCycle Technologies

PureCycle telah menerima surat FDA yang menyatakan tidak keberatan untuk penggunaan dan kondisi bahan baku tertentu. Ini bukan persetujuan FDA secara umum untuk semua produk; setiap penggunaan kemasan dan kontak pangan harus memenuhi persyaratan yang berlaku dan kualifikasi pelanggan.

Perusahaan mengutip analisis siklus hidup yang dipesan dengan penggunaan energi dan emisi gas rumah kaca lebih rendah daripada PP murni. Angka 79% lebih rendah untuk energi dan 35% lebih rendah untuk emisi bergantung pada asumsi model, tingkat pemanfaatan pabrik, serta batas sistem dan bukan hasil studi ORNL.

Fasilitas Ironton memproduksi pelet pertama pada Juni 2023, tetapi proses peningkatan produksinya panjang dan sulit. Pada kuartal pertama 2026, perusahaan melaporkan rekor produksi 8,4 juta pon dan melakukan pemeliharaan terencana untuk meningkatkan keandalan, kapasitas, serta mutu.

PureCycle merencanakan ekspansi lanjutan, tetapi jadwal, pendanaan, dan lokasinya telah berubah. Pada 2026 perusahaan menyatakan fasilitas Thailand direncanakan beroperasi pada 2028; investor sebaiknya menggunakan pengumuman terbaru, bukan target lama untuk Eropa, Jepang, Korea Selatan, atau total kapasitas 2027. Kerja sama dengan SK geo centric tidak sama dengan kapasitas yang telah selesai dibangun.

Sumber: PureCycle Technologies

Produksi 3,5 juta pon pada kuartal ketiga 2024 merupakan tonggak historis dalam peningkatan operasi. Kuartal berikutnya mencatat produksi lebih tinggi, tetapi rekor berkala tidak membuktikan kapasitas nominal yang stabil, margin positif, atau operasi menguntungkan.

PureCycle memberikan eksposur pasar saham terhadap pemurnian PP canggih, tetapi investasinya bersifat spekulatif. Risiko utama mencakup peningkatan skala dan waktu operasi Ironton, mutu produk, persetujuan pelanggan, harga PP, bahan baku, pembakaran kas, utang, pendanaan, dilusi, fasilitas baru, persyaratan regulasi, dan persaingan. Riset ORNL merupakan proyek terpisah dan tidak memberikan hak atas metode tersebut kepada PureCycle.

Referensi Studi:

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