Upcycling von Polyester könnte Plastikmüll reduzieren

Weniger als 10 % der 380 Millionen Tonnen jährlich produzierter Kunststoffe werden derzeit in den USA recycelt, wodurch eine globale Umweltbedrohung entsteht, die durch die Kunststoffproduktion und die Aufnahme von Millionen Tonnen Abfall in Gewässer jedes Jahr verursacht wird. Wenn Sie sich Kunststoffe wie Polyester ansehen, sinkt dieser Prozentsatz.

Anstatt die Verpflichtung zu Recyclingtechniken zu erneuern, die nur einmal für bestimmte Kunststoffe verwendet werden können, haben Forscher nach anderen Lösungen gesucht, um Kunststoffabfälle zu reduzieren. Kunststoff-Upcycling, der Prozess des effizienten Abbaus und Wiederaufbaus von Polymeren, die die wesentlichen Bausteine ​​von Kunststoffen sind, ist zu einem wichtigen Bereich geworden.

Jetzt hat ein von der Northwestern University geleitetes Team die Grundlage für eine Technik geschaffen, um die Wirkung eines Enzyms zu verstärken, das Polyester – den Kunststoff, der zur Herstellung von Getränkeflaschen und billiger Kleidung verwendet wird (und im Handel als PET bezeichnet wird) – in seine grundlegenden Bestandteile a Entwicklung, die Ingenieuren helfen könnte, Lösungen zur Entfernung von Mikroplastik aus Flüssen und Ozeanen zu entwickeln.

Ihre Ergebnisse werden am Montag (21. März) in der Zeitschrift veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) und wird Durchbrüche in Biotechnologie, biologischer Sanierung und Medizin vorantreiben.

Monica Olvera de la Cruz von Northwestern, die leitende Autorin des Papiers, erklärte, dass beim Recycling Kunststoff erhitzt, zerlegt und dann zu schwächeren, qualitativ schlechteren Kunststoffen umgebaut wird. Aber beim Upcycling ermöglicht die Zerlegung von Polymeren in ihre Grundbestandteile manchmal, dass sie zu noch stabileren Kunststoffen werden als zuvor.

Das Team von Olvera de la Cruz hoffte, einen möglichst grünen Upcycling-Prozess zu schaffen; eines, das keine Schadstoffe erzeugt, sondern entfernt. Unter Verwendung eines Enzyms, das im Labor synthetisiert werden kann, entwickelten die Forscher ein Verfahren ohne Verwendung anderer Lösungsmittel, das wiederholt verwendet werden kann.

„Menschen haben ein Enzym entdeckt – ein Bakterium, das Polyester frisst, um zu überleben, und es in monomere Einheiten umwandelt“, sagte Olvera de la Cruz. „Aber sie konnten es nicht verwenden, weil es bei einer bestimmten Temperatur zerfällt. Unsere Idee war es, Polymere zu bauen, die in der Lage sind, das Enzym einzukapseln, um seine Struktur zu schützen, damit es außerhalb lebender Zellen und in der Zelle weiter funktionieren kann Labor bei ausreichend hohen Temperaturen, um PET abbauen zu können.“

In der Studie entwarf das Team ein Polymer und die Bedingungen, die zum wirksamen Schutz des Enzyms (PETase genannt) erforderlich sind, damit sich die PETase beim Erhitzen der Struktur nicht auflöst und unwirksam wird. Das Polymer besteht aus einem hydrophoben (wasserabweisenden) Rückgrat und hochspezifischen Konzentrationen seiner drei Komponenten, berechnet vom Erstautor und Ph.D. Student Curt Waltmann, um gezielt mit aktiven Stellen des Enzyms zu interagieren.

Waltmann fand heraus, dass zu viel negative Ladung im Polymer dazu führte, dass sich das Enzym im Wasser auflöste und das Polymer nicht genug von der Enzymoberfläche bedeckte, um sie zu schützen. Er musste auch darauf achten, nicht zu viele hydrophobe Komponenten in das Polymer einzubringen, sodass sich das Polymer nicht in sich selbst wickelte, anstatt sich um die PETase-Oberfläche zu wickeln.

Nachdem das Polymer mit einer Technik namens Freiradikalpolymerisation synthetisiert wurde, die Monomere schnell miteinander verbindet, wurde es mit chemisch synthetisierten Enzymen gemischt.

„Wir fanden heraus, dass, wenn man den Komplex des Polymers mit dem Enzym zusammen und in die Nähe eines Kunststoffs bringt und ihn dann leicht erhitzt, das Enzym in der Lage ist, ihn in kleine, monomere Einheiten zu zerlegen“, sagt Olvera de la Cruz genannt. „Zusätzlich zum Betrieb in einer Umgebung, in der Mikroplastik gereinigt werden könnte, hat unsere Methode vor Hochtemperaturabbau geschützt, und ein Student konnte die Tests durchführen.“

Indem das Team einen Weg fand, das Enzym vor Hitze zu schützen, öffnete es der Forschungsgemeinschaft viele Türen. Das Team hat sich zum Ziel gesetzt, das gesamte Mikroplastik in die Struktur einzukapseln und dann mit diesen Enzymen ein Aggregat aus Mikroplastik herzustellen.

Das US-Energieministerium hat eine Initiative Polymer-Upcycling-Projekte zu finanzieren, die Kunststoffabfälle reduzieren würden, und Olvera de la Cruz sagt, dass ihr Projekt dazu beitragen wird, die Initiative voranzubringen.

„Mit den monomeren Einheiten kann man ein neues Polymer herstellen“, sagte Olvera de la Cruz. „Das sind gefährliche Dinge, die schlecht für unsere Gesundheit sind. Wir müssen keine weiteren herstellen. Sie können die bereits vorhandenen wiederverwenden, um einen ebenso guten Kunststoff herzustellen – oder einen besseren.“

Olvera de la Cruz ist Lawyer Taylor Professor of Materials Science and Engineering, Chemistry and Chemical and Biological Engineering, Physics and Astronomy und Direktorin des Center for Computation and Theory of Soft Materials.

Neben Olvera de la Cruz und Waltmann zählen Carolyn Mills, Jeremy Wang, Baofu Qiao, John Torkelson und Danielle Tullman-Ercek zu den nordwestlichen Forschern.

Das Papier trägt den Titel „Functional Enzyme-Polymer Complexes“.