Das enzymatische PET-Recycling von Kleidung und Teppichen reduziert die Vorbehandlung oder ist günstiger als die Erdölherstellung- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Leitender Forscher am National Renewable Energy Laboratory (NREL) in den Vereinigten Staaten. Die Realität ist, dass die meisten PET-Produkte, insbesondere PET-Kleidung und -Teppiche, heute nicht mit herkömmlichen Recyclingtechniken recycelt werden. Die Forschungsgemeinschaft entwickelt vielversprechende Alternativen, darunter Enzyme zur Depolymerisierung von PET, aber selbst diese Entscheidungen sind oft auf einen hohen Energieverbrauch und kostenintensive Vorbehandlungsschritte angewiesen, um wirksam zu sein

Die Forscher Jaffes Gardo (links), Erica Erickson (rechts) und Kollegen haben Enzyme entdeckt und charakterisiert, die kristallines PET abbauen, einen Kunststoff, der in Einweggetränkeflaschen, Teppichen, Kleidung und Lebensmittelverpackungen verwendet wird.

Daher landet der Großteil des heute produzierten PET letztendlich auf Mülldeponien oder in der Umwelt – sogar PET-Produkte, die tatsächlich in Recyclingstationen landen.

Dennoch sagte Beckham, dass sich die Dinge schnell ändern und fortschrittliche Methoden des maschinellen Lernens und der synthetischen Biologie den Wissenschaftlern ein beispielloses Verständnis der grundlegenden Biologie der PET-dekonstruktiven Enzyme vermittelt haben. Kürzlich nutzten Beckham und seine Kollegen an der University of Portsmouth und der Montana State University diese Methoden, um neue Enzymvarianten zu entdecken, von denen erwartet wird, dass sie die anspruchsvollste PET ohne zusätzliche Vorbehandlung dekonstruieren.

Das bedeutet nicht nur, dass wir beim Enzymrecycling für alle Arten von PET, einschließlich Teppichen und Kleidung, an der Spitze stehen – es bedeutet auch, dass das Recycling von PET bald günstiger sein könnte, als PET mit Öl von Grund auf herzustellen.

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Im Boden versteckte Enzyme

Das Konzept der Enzymrückgewinnung in PET ist seit 2005 bekannt, aber nachdem japanische Wissenschaftler erstaunliche Entdeckungen gemacht hatten, feierte es 2016 sein weltweites Debüt. Im Boden vor einer Recyclinganlage in Japan vergraben, ein Enzym, das sie stillschweigend Ideonella sakaiensis nennen Geheimnisse, um verstreute alte Plastikgetränkeflaschen aufzulösen.

Die Natur bietet eine großartige Lösung, um die chemischen Bindungen von PET aufzubrechen. Aus irgendeinem Grund zeigt die Natur, wie man PET-Flaschen auf ihre Grundbestandteile reduzieren kann: Terephthalsäure und Ethylenglykol.

Es folgte eine Reihe von Studien. Wissenschaftler versuchen, die in der Industrietechnologie eingesetzten Enzyme zu verbessern, um jährlich Millionen Tonnen PET zu verarbeiten. Sie gehen davon aus, dass die Enzymrecyclingplattform bei einer Verbesserung die heutigen leistungsschwachen Recyclingsysteme völlig verändern, Energie- und Treibhausgasemissionen reduzieren und eine Kreislaufwirtschaft für alle PET-Produkte fördern kann – sogar für Teppiche und Stoffe, die mit herkömmlichen Technologien nicht recycelt werden können.

„Während Forscher das Potenzial der Verwendung von Enzymen zum Abbau von Kunststoffen erkennen, haben neue Arbeiten aus der ganzen Welt die wissenschaftliche Literatur beleuchtet“, sagte John McGeehan, ein Wissenschaftler am Team der University of Portsmouth (UoP) im Vereinigten Königreich. Experten aus verschiedenen Bereichen wie z da Arzneimittel und Biokraftstoffe jahrzehntelange Forschungserfahrung zur Modifizierung von Enzymen nutzen können

Die Enzymrückgewinnungsplattform des Unternehmens NREL/UoP zerlegt PET-Kunststoffrohmaterial (links) effektiv in seine chemischen Struktureinheiten. Die Masse der PET-Probe rechts verringerte sich um 97,7 %, nachdem sie durch Enzyme der Firma NREL/UoP hydrolysiert wurde.

Tatsächlich haben Beckham, McGihan und ihre Kollegen in einer Reihe häufig zitierter Arbeiten, die zwischen 2018 und 2021 veröffentlicht wurden, Enzyme charakterisiert, die ihre Effizienz um den Faktor sechs steigerten, und die ökologischen und wirtschaftlichen Auswirkungen des PET-Recyclings im industriellen Maßstab analysiert. Das entsprechende Papier aus dem Jahr 2022 bewertet die Auswirkungen des Lebenszyklus auf zukünftige enzymatische PET-Rückgewinnungssysteme.

Diese Studien haben bemerkenswerte Ergebnisse erbracht. Durch die 48-stündige Verarbeitung von PET in einem Bioreaktor zeigten sie, dass es möglich ist, fast 98 Prozent des Kunststoffs in Terephthalsäure und Ethylenglykol umzuwandeln – hochwertige recycelte Baumaterialien, aus denen neue PET-Flaschen und sogar fortschrittliche Kunststoffe hergestellt werden einfacher zu recyceln.

„In einem Bereich zu arbeiten, der so schnell wächst, ist eine unglaubliche Erfahrung“, fügte McGihan hinzu. „Wir erreichen einen Punkt, an dem die kollaborative Wissenschaft ein enormes Potenzial hat, die groß angelegte Entwicklung und Einführung enzymbasierter Lösungen zu beschleunigen.“

Trotz der schnellen Fortschritte zeichnet sich ein wesentliches Hindernis für das Enzymrecycling im industriellen Maßstab ab.

Dieses Enzym ist nur gegen einen kleinen Prozentsatz der PET-Produkte wirksam – solche, die aus „amorphem“ PET hergestellt werden. Ohne sie zuvor mit hohen Temperaturen und zusätzlicher Energie zu erweichen, arbeiteten sie hart daran, die sehr verbreiteten, haltbaren Arten von PET-„Kristallen“ zu zerlegen. Kristallisiertes PET macht fast 90 % aller PET-Produkte aus, darunter Polyesterfasern in Kleidung und einigen Einweggetränkeflaschen.

Wissenschaftler brauchen Enzyme, die kristallines PET besser abbauen können, und hoffen, dass sie andere plastikfressende Enzyme finden, die sich im Schmutz verstecken.

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Nutzen Sie maschinelles Lernen, um neue Enzyme zu „abbauen“.

Glücklicherweise braucht das Team keine Schaufel, um nach neuen Enzymarten zu schürfen, und Fortschritte in der Bioinformatik und im maschinellen Lernen haben es möglich gemacht, in einer riesigen Datenbank vorhandener Enzymsequenzen nach verschiedenen Enzymen zu suchen, die auf kristallinem PET aktiv sind.

„Herkömmliche Methoden zur Suche nach neuen plastikfressenden Enzymen aus Datenbanken sind möglicherweise unwirksam, da Enzyme mit sehr ähnlicher chemischer Zusammensetzung nicht unbedingt die plastikzerstörende Aktivität beibehalten“, sagte der NREL-Informatiker Japhaus Gado.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickelte Gado ein statistisches Modell, um die biologischen Regeln bekannter Kunststoffabbauenzyme zu lernen. Das Modell ordnet der einzigartigen Zusammensetzung der bisher untersuchten Enzyme Wahrscheinlichkeiten zu. Gado entwickelte außerdem ein unterstützendes Modell für maschinelles Lernen, um die Hitzetoleranz von Enzymen vorherzusagen, was für industrielle Anwendungen wichtig ist.

Das 3D-Rendering von DeepMind enthüllte unerwartete Strukturmerkmale, wie zum Beispiel das Enzym 611 in der Abbildung. Eine sorgfältige Analyse der Struktursignaturen von Proteinen wie dem Enzym 611 könnte dem Team helfen, seine Leistung zu verbessern.

Zusammen ermöglichen diese beiden Rechenmodelle Gado und seinen Kollegen, in unbekanntes Terrain vorzudringen. In weniger als einer Stunde untersuchten sie mehr als 2 Millionen Proteine und erstellten eine kurze Liste vielversprechender Kandidaten. Weitere Tests bestätigten, dass 5 in der Lage waren, PET zu dekonstruieren, 36 davon waren zuvor in der wissenschaftlichen Literatur nicht beschrieben worden.

Wichtig ist, dass einige kristallines PET sogar besser abbauen können als amorphes PET.

„Diese neuen Enzyme sind nicht nur genetisch vielfältig“, erklärt Gado. „Sie haben unterschiedliche Strukturen und unterschiedliche Geometrien der aktiven Zentren.“

Gado kann zuversichtlich über die Struktur der 24 neuen Enzyme sprechen, weil er sie gesehen hat – zumindest in den 3D-Renderings, die von Forschern von DeepMind, einer Tochtergesellschaft von Alphabet, bereitgestellt wurden. DeepMind ist für die Kartierung des „gesamten Proteinuniversums“ bekannt und hat diese Enzyme mit seinem Deep-Learning-Tool AlphaFold charakterisiert, sodass das Team die Enzyme nebeneinander vergleichen und ihre Unterschiede feststellen konnte.

Alle Werkzeuge sind in der Lage, PET zu dekonstruieren, aber es gibt einige, die auffallend anders aussehen. Laut Gado liefern die Renderings von DeepMind wertvolle Hinweise darauf, wie Plastikdekonstruktasen auf PET wirken.

„Modernste KI-Methoden helfen uns, Muster in Enzymdaten zu finden, was unser Verständnis darüber verbessern wird, was gute essbare Enzyme aus Kunststoff ausmacht“, fügte Gado hinzu. „Dies wird es uns ermöglichen, Enzyme durch Protein-Engineering zu verbessern und andere Enzyme in der Natur zu finden, die eine ähnliche Leistung erbringen.“

Dies ist ein weiterer Fortschritt für ein bereits produktives Forschungsteam und ein weiterer Schritt in Richtung PET-Recycling im großen Maßstab.

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Günstiger und umweltfreundlicher

Die Analyse quantifizierte die Vorteile der enzymatischen PET-Rückgewinnung

Laut Beckham gehören Reinigen, Zerkleinern und Erhitzen – die Schritte, die zur Vorbereitung der Zersetzung von PET erforderlich sind – zu den wichtigsten Nachhaltigkeitsfaktoren für Enzymrecyclinganlagen im industriellen Maßstab.

„Die Minimierung dieser Vorbehandlungsschritte ist entscheidend, um die Kosten für die Enzymrückgewinnung im Vergleich zur Herstellung von PET-Harz aus Erdöl wettbewerbsfähig zu machen“, erklärt er.

Wissenschaftler der NREL University und der UoP haben eine kostengünstige, umweltfreundliche Enzymplattform entwickelt, die gebrauchtes PET schnell in identische chemische Bausteine, Terephthalsäure (TPA) und Ethylenglykol (EG), zerlegen kann.

In nachfolgenden Experimenten stellte das Team fest, dass einige Enzyme, die durch ihre maschinelle Lernmethode markiert wurden, beim Abbau von kristallinem und amorphem PET gleichermaßen wirksam waren. Diese Enzyme erfordern überhaupt keine Vorbehandlung, um die Bindung von Kunststoffen aufzuweichen.

„Durch den Wegfall der Vorbehandlung ermöglicht die Technologie ein PET-Recycling im industriellen Maßstab, das tatsächlich billiger ist als die Verwendung von Erdöl zur Herstellung von Neu-PET“, fügte Beckham hinzu. „Noch besser: Es kann die damit verbundenen Energie- und Treibhausgasemissionen reduzieren.“

In einem früheren Artikel, der 2021 in Joule veröffentlicht wurde, hatte das Team die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Verwendung aktiver Enzyme auf kristallinem PET quantifiziert. In Anlagen im industriellen Maßstab kann dies im Vergleich zu Systemen mit Vorbehandlung den Energiebedarf der Lieferkette um 45 % und die Treibhausgasemissionen über den gesamten Lebenszyklus um 38 % senken.

Ebenso beeindruckend sind die wirtschaftlichen Vorteile. Beim Entsorgen von PET-Teppichen und -Kleidung – die mit herkömmlichen Techniken nicht recycelt werden können – kann auch Terephthalsäure für weniger als 1 US-Dollar pro Kilogramm entstehen. Aus Erdöl gewonnene Terephthalsäure wurde in der Vergangenheit für 1 bis 1,50 US-Dollar pro Kilogramm verkauft.

„Unsere Enzymplattform schafft einen wirtschaftlichen Anreiz, unsere Ozeane zu reinigen“, sagte Erika Erickson, eine ehemalige NREL-Postdoktorandin, die einen Großteil der experimentellen Arbeit hinter diesen Studien durchgeführt hat. „Bei solchen Preisen können PET-Verunreinigungen kostengünstig zu neuen PET-Produkten recycelt werden oder neue Verwendungszwecke in Rotorblättern von Windkraftanlagen oder Stoßfängern aus Kohlefaser finden.“

Post-Consumer-PET-Produkte, die heute oft die Quelle der Umweltverschmutzung sind, können in wertvolle Ressourcen umgewandelt werden, um eine ökologisch nachhaltigere Kunststoffwirtschaft zu unterstützen.

Es ist nicht schwer, sich vorzustellen, wie dies die Geschichte von Kunststoff verändern würde: PET-Recycling ist so niedrig, dass es aus wirtschaftlichen Gründen eher in der Recyclingtonne als im Müll landet. Ein T-Shirt, ein Teppich, eine Limonadenflasche – alles wird hineingelegt und als Baustein beginnen sie ihre kreisförmige Reise, um eine sauberere, grünere Welt zu schaffen.

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