Forøgelse af PET-genanvendelse med højere standarder for laboratorieforsøg

Mange enzymer lover at nedbryde plastik. Men det, der fungerer i laboratoriet, fejler ofte i stor skala. Nu viser en ny undersøgelse af Gert Weber, HZB, Uwe Bornscheuer, University of Greifswald, og Alain Marty, Chief Scientific Officer for Carbios, hvordan en hævning af barren for laboratorieforsøg kan hjælpe med at identificere lovende tilgange hurtigere. Holdet demonstrerede de nye standarder på fire nyopdagede enzymer.

Fra tid til anden rapporterer medierne om store fremskridt inden for genanvendelse af polyethylenterephthalat (PET), takket være nyopdagede enzymer, der nedbryder plastikken til dens bestanddele. Den første succeshistorie fra det akademiske laboratorium efterfølges dog normalt af stilhed.

PET står for 18 % af verdens plastproduktion, hvilket gør det til et af de vigtigste plastik målt i volumen. Biotekvirksomheden Carbios planlægger for eksempel at bygge et anlæg i det nordøstlige Frankrig inden 2025, der kan genanvende 50.000 tons PET om året. De er interesserede i at finde de bedst mulige enzymer til deres industrielle setup og har indset, at mange resultater fra laboratorieforskning ikke kan overføres til en større skala.

"Nogle enzymer fungerer fremragende i laboratorieforsøg i et par timer, men de mister deres aktivitet meget hurtigt, og substratet bliver ikke fuldstændigt nedbrudt," siger HZB-ekspert Gert Weber. Dette er ikke et problem i reagensglasset i laboratoriet, men det er, når det bruges i en stor bioreaktor.

Sammen med biotekvirksomheden Carbios har Uwe Bornscheuer og Gert Weber vist, hvordan nye enzymer til PET-nedbrydning bedre kan sammenlignes med hinanden. Forskningen er publiceret i tidsskriftet ACS Catalysis .

"For at muliggøre opskalering senere skal mange parametre være inden for et snævert område selv i laboratorieforsøg, udgangsmaterialet skal være præcist defineret, og testprotokollerne skal være mere standardiserede for bedre at kunne vurdere enzymernes ydeevne og deres anvendelse på en industriel skala," forklarer Bornscheuer.

Forskerne har derfor udviklet en standardiseret PET-hydrolyseprotokol, der definerer reaktionsbetingelser, der er relevante for hydrolyse i større skala. Der blev især brugt to PET-materialer, for det første en defineret PET-film og for det andet PET-granulat fra affaldsflasker, som Carbios anvender i teknisk målestok. De brugte disse materialer til at teste fire nyligt opdagede PET-nedbrydende enzymer:LCC-ICCG, FAST-PETase, HotPETase og PES-H1L92F/Q94Y.

Da de eksperimenterede under denne protokol, fandt de ud af, at to af disse enzymer, FAST-PETase og HotPETase, var mindre egnede til anvendelse i stor skala, hovedsagelig på grund af deres relativt lave depolymeriseringshastigheder. PES-H1L92F/Q94Y klarede sig bedre. Den fjerde kandidat, LCC-ICCG, klarede sig langt bedre end de andre enzymer:LCC-ICCG omdanner 98 % af PET til de monomere produkter terephthalsyre (TPA) og ethylenglycol (EG) på 24 timer.

"Derudover var vi i stand til at reducere mængden af ​​enzym, der kræves til LCC-ICCG med en faktor tre og reaktionstemperaturen fra 72 til 68 °C, hvilket gør brugen af ​​dette enzym mere økonomisk," siger Bornscheuer.

"Vi bør tænke på industrielle anvendelser allerede i vores laboratorieforskning," siger Gert Weber. Vi har jo at gøre med et af vor tids helt store problemer. Plast bliver stadig produceret igen og igen af ​​fossile råvarer, genanvendelsesprocenterne er lave, og indtil videre har det mest været et tilfælde af "downcycling" til ringere kvalitet.

Plastaffald kan nu findes i alle vand- og jordforekomster og dermed i fødekæden. Fremskridt er derfor presserende. "Med disse standarder kan vi gøre noget for at adskille hveden fra avnerne hurtigere."

Flere oplysninger: Grégory Arnal et al., vurdering af fire manipulerede PET-nedbrydende enzymer, der overvejer industrielle anvendelser i stor skala, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02922

Journaloplysninger: ACS-katalyse

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres