Biodegradowalne tworzywa sztuczne produkowane… z much

Biodegradowalne tworzywa sztuczne zwyczajowo powstają w trakcie syntezy chemicznej produktów naturalnych jak glukoza pozyskiwana z trzciny cukrowej lub kukurydzy. Jednakże naukowcy z laboratorium Wooleya na Texas A&M University w Stanach Zjednoczonych wpadli na nieco inny i niecodzienny pomysł… W trakcie trwającego projektu badawczego wykorzystują owady jako źródło chemikaliów potrzebnych do produkcji tworzyw sztucznych, które mogą później ulec biodegradacji. Podczas corocznej konferencji American Chemical Society (ACS), opisali swoje dotychczasowe postępy – w tym izolację i oczyszczanie chemikaliów pochodzących od owadów oraz sposoby ich przekształcania w funkcjonalne biotworzywa.

„Od 20 lat moja grupa opracowuje metody przekształcania produktów naturalnych – takich jak glukoza pozyskiwana z trzciny cukrowej lub drzew – w biodegradowalne, strawne polimery, które nie utrzymują się w środowisku” – mówi dr Karen Wooley, główny wykonawca projektu. „Ale te naturalne produkty są zbierane z zasobów, które są również wykorzystywane do produkcji żywności, paliw, budownictwa i transportu”. Wooley zaczął więc szukać alternatywnych źródeł, które nie byłyby oparte o rośliny. Jej kolega – dr Jeffery Tomberlin, zasugerował, że mogłaby wykorzystać odpady pozostałe po hodowli czarnych much (hermetia illucens).

Larwy tych much zawierają wiele białek i innych składników odżywczych, dlatego niedojrzałe owady są hodowane na paszę dla zwierząt i konsumowane odpady. Jednak dorosłe osobniki mają krótką żywotność po zakończeniu dni lęgowych i są następnie odrzucane. Zgodnie z sugestią Tomberlina dorosłe muchy stały się nowym materiałem wyjściowym dla zespołu Wooleya. „Bierzemy coś, co jest dosłownie odpadem i robimy z tego coś użytecznego” — mówi Cassidy Tibbetts, doktorantka pracująca nad projektem.

Kiedy Tibbetts zbadała martwe muchy, stwierdziła, że ich głównym składnikiem jest chityna. Ten nietoksyczny, biodegradowalny polimer na bazie cukru wzmacnia skorupę lub egzoszkielet owadów i skorupiaków. Przemysłowi hodowcy skorupiaków już ekstrahują chitynę z muszli krewetek i krabów do różnych zastosowań, a Tibbetts stosuje podobne techniki, stosując płukanie etanolem, kwaśną demineralizację, odbiałczanie zasadowe i odbarwianie wybielaczem w celu ekstrakcji i oczyszczenia zwłok owadów.

Jej proszek chitynowy pozyskiwany z much jest prawdopodobnie czystszy, ponieważ brakuje mu żółtawego koloru i grudkowatej konsystencji. Zauważa również, że pozyskiwanie chityny z much może uniknąć ewentualnych obaw związanych z niektórymi alergiami na owoce morza. Inni badacze izolują chitynę lub białka z larw much, ale Wooley mówi, że jej zespół jako pierwszy wykorzystuje chitynę z odrzuconych dorosłych much, które – w przeciwieństwie do larw – nie są wykorzystywane jako pokarm.

Podczas gdy Tibbetts nadal udoskonala swoje techniki ekstrakcji, Hongming Guo, inny doktorant w laboratorium Wooleya, przekształca oczyszczoną chitynę much w podobny polimer znany jako chitozan. Robi to poprzez usuwanie grup acetylowych chityny. To odsłania chemicznie reaktywne grupy aminowe, które można sfunkcjonalizować, a następnie usieciować. Te etapy przekształcają chitozan w użyteczne biotworzywa, takie jak superchłonne hydrożele, które są sieciami polimerów 3D, które pochłaniają wodę.

Guo wyprodukował hydrożel, który może wchłonąć 47-krotność swojej wagi w wodzie w ciągu zaledwie jednej minuty. Ten produkt mógłby potencjalnie zostać użyty w glebie pól uprawnych do wychwytywania wody powodziowej, a następnie powolnego uwalniania wilgoci podczas kolejnych susz, mówi Wooley. „Tutaj, w Teksasie, ciągle mamy do czynienia z powodzią lub suszą”, wyjaśnia, „więc próbowałam wymyślić, jak stworzyć superchłonny hydrożel, który mógłby temu zaradzić”. A ponieważ hydrożel jest biodegradowalny, mówi, że powinien stopniowo uwalniać swoje składniki molekularne jako składniki odżywcze dla upraw.

Tego lata zespół rozpoczyna projekt rozbicia chityny na jej monomeryczne glukozaminy. Te małe cząsteczki cukru zostaną następnie wykorzystane do produkcji biotworzyw, takich jak poliwęglany lub poliuretany, które są tradycyjnie wytwarzane z produktów petrochemicznych. Czarne muchy zawierają również wiele innych przydatnych związków, które grupa planuje wykorzystać jako materiały wyjściowe, w tym białka, DNA, kwasy tłuszczowe, lipidy i witaminy.

Produkty wykonane z tych chemicznych elementów budulcowych mają ulec biodegradacji lub strawieniu przez bakterie i owady po wyrzuceniu, więc nie przyczynią się do obecnego problemu zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi. Wizja Wooley dotycząca tego procesu dostosowałaby go do koncepcji zrównoważonej gospodarki o obiegu zamkniętym: „Ostatecznie chcielibyśmy, aby owady zjadały odpady z tworzyw sztucznych jako źródło pożywienia, a następnie zbieralibyśmy je ponownie i zbierali ich składniki, aby wytworzyć nowe tworzywa sztuczne” – mówi. „Więc owady byłyby nie tylko źródłem, ale także konsumowałyby wyrzucone tworzywa sztuczne”.

Źródło: www.acs.org
Zdjęcia: www.pixabay.com & www.wikipedia.org