CRISPR para sa Pag-edit ng mga Polimer ay Maaaring Baguhin ang Pandaigdigang Pagsisikap sa Pag-recycle

Pagbubukas ng Pag-recycle ng Plastik

Mula nang malawakang gamitin ng industriya ng pagmamanupaktura noong 1960s, ang mga plastik ay naging laganap na materyal sa ating pang-araw-araw na buhay. Sila rin ang sanhi ng napakabigat na polusyon, lalo na ang microplastics — mga nabasag, mikroskopikong piraso ng plastik na nagdudulot ng polusyon sa buong mundo at mga karagatan nito.

Napatunayan na ang microplastics ay nagbabawas ng bisa ng mga antibiotiko, natagpuan sa mga fetus, sa ating mga puso at utak, kinakain ng mga hayop-dagat, at iba pa.

Maraming estratehiya ang sinusuri upang harapin ang umiiral nang polusyon ng microplastic, halimbawa, pag-aampon ng mga sukatan ng pagpapanatili, paggamit ng hindi nakakalason na mga solvent na tumatanggi sa tubig, o muling paggamit ng mga plastik gamit ang mga laser o photocatalysis na pinapagana ng liwanag.

Samantala, ang mga kumpanya tulad ng ExxonMobil ay dinadala sa hukuman dahil sa mababang antas ng pag-recycle ng plastik na gawa mula sa langis (XOM ).

Ang problema sa karamihan ng solusyon sa polusyon ng plastik ay medyo magastos, kaya maraming bansa ang hindi handa o kayang ipatupad ang mga solusyon sa problemang pandaigdigan. Mas mainam na gawing mapagkukunan ang plastik na basura upang makagawa ng mahalagang materyales, na lumilikha ng matibay na insentibong pang-ekonomiya para kolektahin ang plastik na basura.

Ito ang pinagtatrabahuhan ng mga mananaliksik sa Oak Ridge National Laboratory. Natuklasan nila ang paraan upang “i-upcycle ang plastik na basura tungo sa mas mataas na pagganap na plastik”, at inilathala ang kanilang mga resulta sa Journal of the American Chemical Society sa pamagat na “Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm”¹.

Bakit Hindi Sapat ang Tradisyonal na Pag-recycle?

Ang plastik ay na-recycle na, ngunit ang proseso ay malayo sa pagiging perpekto. Inilarawan ito ng mga mananaliksik na sumulat ng publikasyong ito nang tumpak bilang “tunawin at umasa sa pinakamahusay”.

Ito ay isang suliranin, dahil bawat ikot ng pag-recycle ng plastik ay lumilikha ng mga polymer na unti-unting nawawalan ng halaga, kung saan ang nagiging produkto ay may mas mababang resistensya, kulay, tibay, at iba pa. Nangyayari ito dahil ang hindi pinamamahalaang pagkatunaw ay binabago ang paraan ng pagkakabuo at pagkakaugnay ng mga kadena ng polymer ng plastik.

Kaya sa kasalukuyang teknolohiya ng pag-recycle, ang mga plastik ay maaaring magamit muli lamang ng limitadong bilang ng beses ngunit mauuwi pa rin sa basura, matapos lamang ang ilang ikot ng pag-recycle imbes na isang beses na paggamit.

Dagdag pa rito, ang ilang uri ng plastik ay talagang hindi maaaring i-recycle gamit ang pamamaraang ito, at karaniwang nauuwi sa pagsunog o pagtatambak sa mga landfill.

Sa katunayan, tanging 9% lamang ng pandaigdigang produksyon ng plastik ang nare-recycle.

Pinagmulan: PureCycle Technologies

Upcycling Sa Halip na Pag-recycle

Ang konsepto ng “upcycling” ay ang nagreresultang produkto ng proseso ng pag-recycle ay talagang mas mahusay kaysa sa orihinal na materyal.

Maaari lamang itong makamit sa pamamagitan ng maayos na pag-aayos muli ng mga kadena ng polymer na bumubuo sa plastik. Ang ganitong uri ng eksaktong “pag-edit” ng estruktura ng plastik ay nagdala sa mga mananaliksik na ihambing ang kanilang bagong pamamaraan sa CRISPR, isang teknolohiya na ginagamit upang baguhin ayon sa kagustuhan ang mga DNA at RNA strand.

Nagtrabaho sila gamit ang mga molekulang mahina o hindi na nare-recycle ngayon. Kabilang dito ang malambot na polybutadiene, isang pangkaraniwang materyal sa mga gulong ng goma, at matibay na acrylonitrile butadiene styrene, na ginagamit sa mga laruan na plastik, keyboard ng computer, mga tubo ng bentilasyon, proteksiyon na headgear, mga trim at molde ng sasakyan, at mga kagamitang pangkusina.

“Tinutugunan namin ang isang mahalagang bahagi ng daloy ng basura gamit ang teknolohiyang ito. Magdudulot ito ng malaking epekto mula sa konserbasyon ng masa at enerhiya ng mga materyales na ngayon ay itinatapon sa mga landfill.” – Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Ang proseso ay may napakataas na “atom economy”, na nangangahulugang halos lahat ng plastik na inilalagay para i-recycle ay nababawi sa panghuling produkto.

Paano Ito Gumagana

Upang muling lumikha ng matibay na polymer ng plastik mula sa materyal na ire-recycle, una nilang ginawa ang isang additive na idaragdag sa umiiral na plastik.

Pinagmulan: Journal of the American Chemical Society

Upang gawin ang additive, pinunit nila ang polybutadiene at acrylonitrile butadiene styrene at inilubog ito sa dichloromethane. Ang kemikal na reaksyon ay gumana sa mababang temperatura (40°C / 104°F) at sa loob ng mas mababa sa dalawang oras.

Kinailangan din ng reaksyon ng katalista, at ginamit ang ruthenium. Ito ay isang kilalang katalista sa paggawa ng plastik at ginagamit din upang i-convert ang biomass, tulad ng mga langis ng halaman, sa mga fuel at iba pang mataas na halagang organikong compound.

Ang mga atom ng ruthenium ay halos “nagdadala” ng mas maliliit na elemento ng plastik at dinadala ito sa mga polymer upang gawing mas mahaba.

Ang prosesong “metathesis” ay gumagamit ng malalakas na double bond sa pagitan ng mga atom ng carbon upang tumaas ang posibilidad ng mga kemikal na reaksyon.

Isang bahagi ng pamamaraan, na tinatawag na ring-opening metathesis polymerization, ay nagbubukas ng mga paikot na molekulang carbon at ginagawang kapaki-pakinabang na mahahabang polymer. Ang isa pang bahagi, na tinatawag na cross-metathesis, ay nag-iinsert ng mga kadena ng sub-unit ng polymer mula sa isang kadena patungo sa isa pa.

Pinagmulan: Sigma Aldrich

Ang gawain ay isang kolaboratibong proyekto, kung saan ang ilang mananaliksik ay inatasang i-optimize ang polymerization, ang iba ay gumamit ng NMR (nuclear magnetic resonance) spectroscopy upang suriin ang mga reaksyon sa real time, at ang iba pa ay sinusuri ang mekanikal at thermal na katangian ng mga panghuling materyales.

Malakas na Resulta

Ipinakita ng mga siyentipiko ng Oak Ridge National Laboratory na ang proseso, na gumagamit ng mas kaunting enerhiya at naglalabas ng mas kaunting emisyon kaysa sa tradisyonal na pag-recycle, ay epektibong nag-iintegrate ng mga materyales ng basura nang hindi isinasakripisyo ang kalidad ng polymer.

Ang nagresultang upcycled na plastik ay nagpakita ng matibay na thermal at mekanikal na pagganap, na ginagawang mas mahusay kaysa sa orihinal na materyal, at mas mahusay kaysa sa plastik na nare-recycle gamit ang tradisyonal na pamamaraan.

Ang Mga Susunod na Hakbang sa Plastic Upcycling

Upcycling Lahat ng Plastik

Ang pamamaraang ito, na ngayon ay napatunayan na para sa ilang plastik, ay maaaring palawakin sa lahat ng iba pang plastik. Ang mas environment-friendly na mga solvent ay maaari ring maging isang pagpapabuti.

“Ang bisyon ay ang konseptong ito ay maaaring i-extend sa anumang polymer na may anumang uri ng backbone functional group na maaaring mag-react.”

Kung ito ay palakihin at palawakin upang gumamit ng iba pang additives, mas malawak na klase ng basura ang maaaring i-mine para sa mga molecular building block, na magbabawas nang malaki sa epekto sa kapaligiran ng iba pang mahirap iprosesong plastik.

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Kailangan pang linawin ang mga detalye ng ekonomiya ng pamamaraan, ngunit maayos ito dahil gumagamit ito ng mababang temperatura, maikling oras ng reaksyon, at isang karaniwang ginagamit na katalista.

Lampas sa Plastik

Ang ginamit na pamamaraan ay gumana sa plastik ngunit maaari ring ilapat sa iba pang kemikal.

Nakikita ng mga mananaliksik na ito ay lalo na pangako para sa isang klase ng polymer na tinatawag na thermoset. Kabilang dito ang epoxy resin, vulcanized rubber, polyurethane, at silicone.

Ang mga thermoset na materyales ay hindi maaaring i-remelt o baguhin ang hugis kapag na-set na, na nagiging hamon sa kanilang pag-recycle.

Ang upcycling na pamamaraan na binuo dito, na inaatake ang cross-linked na molekular na estruktura ng plastik, ay maaaring ilapat sa parehong estruktura sa mga thermoset na materyales.

Dahil ang proseso ng repolymerization ay lubos na nako-customize, ang panghuling upcycled na produkto ay maaaring mas mahusay kaysa sa orihinal. Ang mga upcycled na materyales ay maaaring, halimbawa, mas malambot at mas stretchy kaysa sa orihinal na polymer o, marahil, mas madaling hubugin at patigasin sa matibay na thermoset na produkto.

Konklusyon

Ang upcycling ay isang pangakong opsyon upang mapataas ang antas ng pag-recycle ng plastik, dahil dapat itong magbigay ng insentibong pang-ekonomiya na kulang hanggang ngayon upang makamit ang higit sa 10% ng plastik na nare-recycle sa buong mundo.

Ang pagbawas ng paggamit ng plastik, pagtanggal ng microplastics, pag-develop ng mga bioplastics (tingnan ang “Top 5 Bioplastics Companies”), at upcycling sa halip na mahina na pag-recycle ay malamang na magiging bahagi ng solusyon sa polusyon ng plastik.

Sa kabuuan, sila ay magiging pangunahing sangkap sa pagbuo ng isang paikot na ekonomiya na mas matipid sa mga mapagkukunan at mas kaunti ang polusyon.

Kumpanya ng Pag-recycle

PureCycle Technologies

Ang PureCycle ay isang kumpanya ng pag-recycle ng plastik na nakatuon sa polypropylene (PP), na nagko-convert ng waste PP sa ultra-pure recycled PP resin.

Nilikha nila ang isang proprietary na pamamaraan upang “linisin” ang waste PP mula sa lahat ng karagdagang materyal sa mga tapos na produkto, tulad ng polyethylene, solid material, pigments, contaminants, atbp.

Pinagmulan: PureCycle Technologies

Ang prosesong ito ng pag-extract ay naiiba sa karaniwang ginagamit na mechanical filtration system, na lumilikha ng napakababa ang kalidad ng PP para sa karamihan ng industriyal na aplikasyon, kahit na gumagamit ng mataas na kalidad na feedstock.

Ang chemical recycling ay isa pang opsyon, ngunit ito ay malayo sa pagiging environment-friendly at hindi cost-efficient.

Pinagmulan: PureCycle Technologies

Ang panghuling produkto ng Purecycle ay tinatanggap ng FDA para sa iba’t ibang karaniwang aplikasyon ng PP, kabilang ang pag-iimbak ng pagkain, mainit o pasteurized na mga lalagyan, at pag-iimbak ng frozen na pagkain. Ang mga susunod na produkto ay dapat magsama ng fiber, film packaging, injection mold para sa packaging, at automotive plastics.

Bukod sa pag-recycle ng waste plastic, ang proseso ay mas enerhiya-episyente na may 79% na mas mababang konsumo kumpara sa “virgin PP”, at 35% na mas mababang greenhouse gas emission footprint.

Ang kumpanya ay nagtatayo ng kanilang Ironton pellet production facility, na may unang produksyon noong Hunyo 2023, upang ilunsad ang kanilang proseso ng pag-recycle.

Nagtatayo rin ito ng iba pang pasilidad sa North America at Europe, at balak pang magtayo sa Japan at South Korea sa pamamagitan ng joint-venture sa SK geo centric, na naglalayong maabot ang 630 milyong pounds ng taunang kapasidad sa pag-recycle pagsapit ng 2027.

Pinagmulan: PureCycle Technologies

Ang pellet production ng Ironton facility ay umabot sa 3.5 milyong pounds noong Q3 2024, na triple kumpara sa nakaraang quarter, pati na rin nakakita ng pagtaas sa kalidad ng nagresultang produkto.

Sa pangkalahatan, ang PureCycle ay isang magandang kumpanya na paglaanan ng pusta para sa pagpapabuti ng teknolohiya ng pag-recycle ng plastik, at may karanasan upang unti-unting ilunsad ang bagong teknolohiya na lumalayo sa legacy recycling technology.

Sanggunian ng Pag-aaral:

^{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 2024 146 (48), 33084-33092 DOI: 10.1021/jacs.4c10588}