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完全なリサイクルを可能にするバイオマスプラスチック

Nature ダイジェスト Vol. 18 No. 5 | doi : 10.1038/ndigest.2021.210546

原文:Nature (2021-02-18) | doi: 10.1038/d41586-021-00349-9 | High-performance plastic made from renewable oils is chemically recyclable by design

Charlotte K. Williams & Georgina L. Gregory

プラスチックは極めて有用で現代社会に不可欠な材料だが、貴重な石油資源を原料とし、完全なリサイクルが難しく、環境中に残り続ける。今回、巧妙な分子レベルの設計によって、これらの問題全てを解決し得る、バイオマス由来の高性能プラスチックが開発された。

廃棄物管理施設に山積みされるプラスチックごみ。現状では、プラスチックのリサイクル率はかなり低く、完全なリサイクルも難しい。 | 拡大する

bulentumut/iStock/Getty

埋め立て地や海洋にあふれ返る無数のプラスチックごみ。厳しい現実を突き付けるこうした光景に、我々はプラスチックの使用について再考するようになった。ほとんどのプラスチックは、枯渇しつつある石油資源を原料とするだけでなく、効果的にリサイクルされず、環境汚染物質になっている。プラスチックにはさまざまな種類があるが、それら全てには構成成分として重合体(ポリマー)が含まれる。プラスチック問題の解決には多くの異なるアプローチが必要だが、プラスチックの持続可能性を高めるには、根本的に、ポリマーの化学的性質を設計し直さなければならない1。主な目標は、化石燃料の枠を超えた原料の多様化、組み込まれるエネルギーと有用資源の節約、複数回のリサイクルにわたる有用特性の完全な保持、必要に応じて分子構造を完全に分解できるプラスチックの設計である2–4。このたび、コンスタンツ大学(ドイツ)のManuel Häußlerらは、これら全ての目標で基準を満たす可能性のあるプラスチックを開発し、Nature 2021年2月18日号423ページで報告した5

高密度ポリエチレン(HDPE)は広く用いられているプラスチックの1つで、エチレン(CH2CH2)ユニットの繰り返しからなる、長い直線状のポリマー鎖(ポリエチレン鎖)を特徴とする。HDPEは結晶化すると、電気絶縁体、水管やガス管、洗剤ボトルといった多様な用途向けの、非常に優れた特性を示すようになる。HDPEは通常、溶融・再加工によって機械的にリサイクルされており6、この過程は「メカニカルリサイクル(物理的再生法)」として知られる(図1a)。だが、現行のプラスチック廃棄物管理は、決して効果的とは言えない。米国環境保護庁(EPA)によれば、2018年に全米で排出された全てのプラスチック廃棄物のうち、一連の処理過程で回収・リサイクルされたものは10%に満たず、リサイクルが進んでいるとされるHDPEボトルでも、その割合はわずか30%程度だったという(go.nature.com/3jw8meq参照)。また、メカニカルリサイクルでは、リサイクル過程を経るごとに材料の性能が劣化する可能性もあり、HDPEの場合、リサイクル後は結晶性の制御が難しいという問題がある7,8

メカニカルリサイクルに代わる方法に、「ケミカルリサイクル(化学的再生法)」がある。これは、廃プラスチックに含まれるポリマー鎖を化学的に分解して合成前の分子構成要素(モノマー)に戻す方法で、リサイクルの輪を完結させることから「クローズドループ・リサイクル」とも呼ばれている。ケミカルリサイクルの利点は、分解で得られたモノマーを再び重合させ、元のポリマーと同様の優れた性能と特性を持つ材料を作製できることにある。しかし残念なことに、この戦略はHDPEでは効果的でない。HDPEの炭素–炭素結合の切断には多くのエネルギーが必要なためで、これはすなわち、ポリエチレンが環境中に残り続け、酵素で分解されにくいことの理由でもある。

今回Häußlerらが報告した新しいプラスチックは、HDPEの主要な特性の多くを有しながら、完全なクローズドループ・リサイクルが達成できるよう設計されている。彼らはまず、植物や微細藻類に由来する天然の油を高分子量のポリマーへと変換できる、高収率の化学反応(反応収率は95%を超える)を開発した。そして、この反応を用いて、カーボネート結合またはエステル結合が一定間隔で配置されたポリマー鎖(ポリカーボネートとポリエステル)を作製した(図1b)。これらのポリマー鎖は、120℃という温和な条件下で、水や一般的なアルコールなどの環境に優しい溶媒と「加溶媒分解(ソルボリシス)」と呼ばれる十分に確立された反応を起こし、ほぼ完全な回収率(96%)でモノマーに分解できる。生成したモノマーは、反応混合物の冷却や濾過という単純な方法で分離が可能で、これらのモノマーを回収して再重合させると、元のプラスチックと同じ特性を持つ材料が得られる。

図1 高密度ポリエチレン(HDPE)の再設計
a 市販のHDPEは、再生不能な石油系モノマーから形成される化学的に不活性なポリマーで構成された、広く使用されているプラスチックである。HDPEは溶融・再加工によって機械的なリサイクルが可能だが、そうした「メカニカルリサイクル(物理的再生法)」は材料性能の低下につながる場合がある。
b Häußlerら5は今回、再生可能な植物油や微細藻類油に由来するモノマーから形成され、HDPEと同等の性能を示す新しいプラスチックを報告した。モノマーの両端には、ポリマー鎖を形成した際に「切断点」となる低密度の官能基が導入されており、これらのポリマーから作製されたプラスチックを「ケミカルリサイクル(化学的再生法)」によって分解すると、元のモノマーに完全に戻すことができる。得られたモノマーを再び重合させれば、同じ方法でプラスチックを作製できる。Häußlerらは、実際にこのプラスチックで、スマートフォンのケースなどさまざまな物を作製し、リサイクル後もプラスチックの特性が劣化しないことを示した。 | 拡大する

今回の成果で重要なのは、サステイナブルポリマー(持続可能なポリマー研究)の分野を長年悩ませてきた多くの難題が、全て同時に解決されたことである。Häußlerが所属する研究グループは数十年にわたって、天然の油を有用なモノマーに変換する化学反応の先駆的な開発を進めており、今回のモノマーもその反応を用いて合成された9。Häußlerらは、これらのバイオマス由来モノマーの両端に、高効率の触媒反応(反応収率80~90%)を用いて選択的に低密度官能基を導入した後(これらの官能基がポリマー鎖において「切断点」として機能する)、確立された方法によってモノマーの重合を進め、ポリマー鎖を得た。彼らはまた、この重合反応で共試薬として炭酸ジエチルを用いると、分子量の非常に大きなポリマーの形成が可能になることも見いだした。高分子量ポリマーの形成は、HDPEの優れた熱的特性、機械的特性、処理・加工特性に匹敵する性能を有するプラスチックの作製に不可欠である。

Häußlerらはさらに、この新しいプラスチックが、射出成形や3D印刷といった一般的な加工技術や、着色剤やカーボンファイバー(ポリマー強化用の添加剤として広く用いられている)の添加にも適していることを実証した。加溶媒分解によるリサイクルについては、飲料用ボトルとして多用されていて、同じくケミカルリサイクルの候補である市販のポリエチレンテレフタレート(PET)などの従来型プラスチックと混ざった状態でも、目的の分解反応のみが選択的に起こることを示した。こうした概念実証実験の結果は、このプラスチックの選択的リサイクルの可能性を示唆している。

いずれも非常に有望な知見だが、今回の研究がまだ初期段階の基礎研究であることを忘れてはならない。ポリマーからポリマーへのリサイクルの実証は、わずか20gという小さなスケールで行われたにすぎず、この結果を産業規模のプロセスや製品に移行させるには、多くの研究が必要になるだろう。また、バイオマス由来モノマーの大規模合成法の模索や、プラスチック製品の製造・成形・リサイクルのための産業プロセスの開発など、ポリマーのライフサイクルの別の部分においても、解決すべき大きな技術的課題がいくつも残されている。

加えて、こうした取り組みには経済的な考慮も大きな影を落とす。HDPEなどの産業用プラスチックは、数百万tのスケールで製造され、通常1kg当たり1~3ドル(約110〜330円)で販売されている。新しいプラスチックが直ちにコスト競争力を持つと考えるのは無理があるが、その導入に価格の問題が大きく影響してくるのは明白だ。

一方、既存の廃棄物管理システムが、今回の新しいプラスチックにどの程度対応できるのか、という疑問にも答える必要があるだろう。もしもこのプラスチックでHDPEを置き換えるのであれば、それが、さまざまな施設や地域で採用されている全ての廃プラスチック分別法に適合することを示す必要があるからだ。また、現行の大半のリサイクル戦略とは異なり、今回実証されたケミカルリサイクルには化学プラントが必要になる。この点については、Häußlerらの化学反応は工業的な方法に適していると考えられ、十分に期待できる。さらに今回のシステムは、製造業者が、製品に含まれるプラスチックに対してその消費後まで責任を負うことを義務付けた、欧州の法律にも沿うものと言える。

Häußlerらの今回の成果は、実に面白く、心動かされるものである。というのも、再生可能な資源に由来し、優れた特性を持ち、大規模な製造・加工技術に適合し、完全にリサイクル可能なプラスチックを考案することは、極めて困難だからだ。実際、これら全てを満たす材料はほとんど存在しない。Häußlerらの研究は、科学的革新がいかにして、問題の個々の要素だけでなく全ての側面を解決し得るかを示す、見事な例である。次の段階としては、今回の研究で提示されたライフサイクルアセスメント(LCA)に基づいて、持続可能性をさらに高めていく必要がある。一方で社会の側もまた、従来型プラスチックが環境に及ぼす全ての影響について、そうした研究の取り組みと同等のLCAや評価結果を提示するよう、製造業者に要求していくべきだろう。そうすることで、代替品に求められる優先順位が明らかになるはずだ。

(翻訳:藤野正美)

Charlotte K. Williams & Georgina L. Gregoryは、オックスフォード大学(英国)に所属。

参考文献

  1. Science to Enable Sustainable Plastics. A White Paper from the 8th Chemical Sciences and Society Summit (CS3); availabe at go.nature.com/3pfImyw (2020).
  2. Rahimi, A. & García, J. M. Nature Rev. Chem. 1, 0046 (2017).
  3. Coates, G. W. & Getzler, Y. D. Y. L. Nature Rev. Mater. 5, 501–516 (2020).
  4. Fortman, D. J. et al. ACS Sustain. Chem. Eng. 6, 11145–11159 (2018).
  5. Häußler, M., Eck, M., Rothauer, D. & Mecking, S. Nature 590, 423–427 (2021).
  6. Ellen MacArthur Foundation. The New Plastics Economy: Rethinking the Future of Plastics & Catalysing Action (2017).
  7. Vollmer, I. et al. Angew. Chem. Int. Edn 59, 15402–15423 (2020).
  8. Oblak, P., Gonzalez-Gutierrez, J., Zupančič, B., Aulova, A. & Emri, I. Polym. Degrad. Stab. 114, 133–145 (2015).
  9. Stempfle, F., Ortmann, P. & Mecking, S. Chem. Rev. 116, 4597–4641 (2016).

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Nature ダイジェスト Online edition: ISSN 2424-0702 Print edition: ISSN 2189-7778

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