Пластмассы обычно перерабатываются при температуре значительно большей, чем 100°C. Ферменты же, напротив, не выдерживают нагрева. Ученым немецкого института Фраунгофера по прикладному исследованию полимеров (IAP) удалось преодолеть это препятствие: они смогли внедрить в пластмассу ферменты без потери их активности. Возможности, которые открывает это изобретение, огромны.
 |
Материалы, способные к самоочищению, с поверхностной защитой от плесени или даже саморазлагаемые — вот только несколько примеров того, что станет возможным, если удастся внедрить активные ферменты в пластмассы. Однако для того, чтобы специфические качества ферментов можно было перенести на какие-либо материалы, в процессе внесения данные биовещества должны оставаться неповрежденными. Исследователям института Фраунгофера IAP в рамках проекта «Биофункционализация/биологизация полимерных материалов BioPol» удалось найти такое решение. Проект стартовал летом 2018 года, он ведется в сотрудничестве с Бранденбургским техническим университетом Коттбус-Зенфтенберг (BTU) и субсидируется Министерством образования, научных исследований и культуры земли Бранденбург.
«С самого начала было ясно, что мы не стремимся производить биофункциональные пластмассы в лабораторных масштабах. Мы хотели сразу показать, что возможно их промышленное производство», — вкратце описывает амбициозные цели проекта доктор Рубен Розенкранц, руководитель отдела «Биофункционализированные материалы и биотехнология» института Фраунгофера IAP. Уже сейчас, по истечении почти половины срока действия проекта, достигнуты большие успехи.
Применение неорганических носителей
Поиск возможности стабилизации ферментов привел ученых к попытке использования неорганических носителей. Последние представляют собой как бы защитное снаряжение для ферментов, объясняет Розенкранц: «Мы используем, например, неорганические частицы, которые являются очень по0ристыми. Ферменты связываются с этими носителями, встраиваясь в поры. Хотя это ограничивает подвижность ферментов, они остаются активными и способны выдерживать гораздо более высокие температуры». Тем не менее, Розенкранц подчеркивает, что общего, действенного для всех процесса стабилизации не существует: «Каждый фермент отличается от остальных. Какой носитель и какая технология для внедрения подходит лучше всего, зависит от каждого конкретного вещества».
Стабилизация ферментов внутри пластмасс
Исследователи осознанно искали возможность не только стабилизации фермента на поверхности пластмассы, но и внедрения его непосредственно в структуру полимера. «Это гораздо труднее, но зато в таком случае признаки износа на поверхности материала не смогут ухудшить функциональность пластика», — объясняет Томас Бюссе, руководящий собственным экспериментальным цехом для работы с биополимерами, принадлежащим институту, в Шварцхайде. Чтобы в процессе дальнейшей переработки получить оптимальный результат, необходимо как можно быстрее распределить стабилизированные ферменты в горячем расплаве пластмассы, но так, чтобы они не потеряли своей активности или чтобы температура не поднялась слишком высоко. Это сродни балансированию на канате: ошибку допустить нельзя. Но Бюссе доволен результатом: «Мы разработали процесс, который подходит как для биопластиков, так и для обычных полимеров, являющихся продуктом нефтепереработки, например для полипропилена. Наши исследования также показывают, что стабилизированные ферменты, встроенные в пластик, способны выдерживать более высокие тепловые нагрузки, чем раньше. Это в значительной мере облегчает использование ферментов, а также все этапы процесса».
Самоочищающиеся пластмассы
Что касается выбора типа фермента, то исследователи института Фраунгофера IAP до сих пор занимались прежде всего протеазами, которые в состоянии расщеплять другие белки. Функционализированный такими ферментами пластик получает способность к самоочищению. Таким образом, изготовленные из этой пластмассы, к примеру, трубы меньше зарастают или забиваются. Систематически проводятся, однако, испытания и других ферментов. Партнеры из технического университета BTU, например, усиленно занимаются ферментами для разложения пластмасс и разрушения токсических веществ. Уже произведены первые функционализированные пластиковые грануляты, пленки и формы для литья под давлением. Исследователи установили, что ферменты, содержащиеся в этих продуктах, остаются активными. Следующим шагом является тестирование и дальнейшая оптимизация процесса для повседневного использования. Розенкранц и Бюссе полны энтузиазма и уже подали заявку на патент.
