Van overvolle stortplaatsen tot drijvende afvaleilanden in de oceanen tot microplastics in afgelegen wildernisgebieden, miljarden tonnen afgedankt plastic hebben geleid tot een wereldwijde vervuilingscrisis.

Hoewel plastic essentieel is voor ons dagelijks leven, het zijn duurzame materialen die niet van nature biologisch afbreekbaar zijn, decennia of zelfs eeuwen nodig hebben om te ontbinden op stortplaatsen of in de natuurlijke omgeving. Jaarlijks wordt wereldwijd meer dan 82 miljoen ton polyethyleentereftalaat (PET) geproduceerd om drankflessen voor eenmalig gebruik te maken, verpakking, kleding, en tapijten, en het is een van de grootste bronnen van plastic afval.

Wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) boeken vooruitgang met een mogelijke oplossing voor PET-afval. Een samenwerkend onderzoeksteam combineert chemie en biologie om PET om te zetten in een nylonmateriaal met betere eigenschappen dat kan worden gebruikt om een ​​veelzijdiger assortiment nieuwe producten te creëren.

In samenwerking met de Bio-Optimized Technologies om Thermoplastics uit de stortplaatsen en het milieu (BOTTLE) Consortium te houden, NREL-onderzoekers en partners van Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben een bacterie ontwikkeld om gedeconstrueerd PET om te zetten in bouwstenen voor een superieur nylonproduct. Zoals beschreven in "Tandem chemische deconstructie en biologische upcycling van poly(ethyleentereftalaat) tot β-ketoadipinezuur door Pseudomonas putida KT2440, " onlangs gepubliceerd in Metabolic Engineering, deze hoogwaardige monomeren kunnen vervolgens worden gerecycled tot hoogwaardigere plastic materialen en producten, een proces dat bekend staat als upcycling.

"Deze biologische conversiestap is een belangrijk onderdeel van de vergelijking die PET-upcycling mogelijk maakt, de mogelijkheid creëren om vervuilende plastic flessen om te zetten in gewaardeerde productiematerialen, ons uiteindelijk dichter bij een circulaire economie op schaal brengen, " zei NREL-wetenschapper en tijdschriftartikel eerste auteur Allison Werner.

Een circulaire economie kan de functionele levensduur van de moleculen verlengen om nieuwe plastics te maken, terwijl het verminderen van afval, hulpbronnen sparen, en het verhogen van de efficiëntie. Dit kan helpen bij het leveren van voorraden die zijn vervaardigd met minder grondstoffen en energie en die niet op stortplaatsen worden gestort.

BOTTLE-onderzoekers onderzoeken hoe een reeks chemische en biologische processen kunnen worden gebruikt om plastic afval te deconstrueren en te upcyclen naar een hogere waarde, recyclebare materialen. Het recente BOTTLE-project deconstrueerde PET met behulp van een chemokatalytisch proces en ontwikkelde de bacterie Pseudomonas putida KT2440 om het PET om te zetten in het chemische β-ketoadipinezuur (βKA), een bouwsteen voor prestatiebevorderend nylon.

NREL en ORNL werkten samen aan de engineering van de bacteriën. ORNL heeft de bacteriën ontwikkeld om een ​​belangrijk tussenproduct te gebruiken bij de afbraak van PET, waardoor het NREL-team een ​​compleet platform voor bioconversie kon bouwen.

Omgaan met probleem PET

Elk type plastic heeft zijn eigen moleculaire eigenschappen die mogelijk verschillende methoden vereisen om te deconstrueren. PET kan worden gedeconstrueerd tot monomeren met behulp van verschillende chemische processen. Echter, de mechanische methoden die tegenwoordig voor de meeste PET-recycling worden gebruikt, kunnen resulteren in producten van slechte kwaliteit en minder winstgevende producten, wat leidt tot lage recyclingpercentages. Uit verschillende bronnen blijkt dat momenteel slechts 15% tot 35% van alle PET-flessen een tweede leven vindt.

De biologische transformaties die door wetenschappers van NREL en ORNL zijn ontwikkeld tot P. putida, gecombineerd met een chemo-katalytisch glycolyseproces, kan een waardevoller product van PET maken en uiteindelijk leiden tot hogere terugwinningspercentages, wat zich uiteindelijk vertaalt in minder weggegooide plastic flessen die het oceaanwater en de wildernis in de bergen vervuilen.

Het materiaal dat via deze tandem-katalytische deconstructie- en biologische conversietechniek wordt gewonnen, biedt betere eigenschappen dan de gangbare nylonsoorten die het moet vervangen, inclusief lagere waterdoorlatendheid, hogere smelttemperatuur, en hogere glasovergangstemperatuur. Deze prestatievoordelen breiden de manieren uit waarop het materiaal kan worden gebruikt, ook voor auto-onderdelen die bestand moeten zijn tegen hoge temperaturen. Een hogere waarde van het gerecyclede materiaal kan de industrie ertoe aanzetten meer plastic te recyclen, wat leidt tot plastic terugwinning op een veel grotere schaal.

Weigeren om door te gaan met plasticvervuiling

Hoewel deze eerste doorbraak al belooft de mogelijkheden voor PET-upcycling uit te breiden, onderzoekers blijven de aanpak verfijnen. Naast het optimaliseren van de chemie-biologie-interface, het team evalueert een groot aantal andere factoren.

Postconsumer PET waste streams can contain additives that P. putida may be unable to catabolize. Characterization of these streams to identify the chemicals present and engineering metabolic pathways to enable consumption of these compounds as well will be needed to maximize efficiency of the bioconversion process, increase yields, and comprehensively deal with the plastic waste.

The future success of any tandem deconstruction and upcycling approach for PET will ultimately be determined by its combined technical feasibility, economic viability, and environmental impact. The NREL team plans to perform techno-economic analysis and life cycle assessment to build a better understanding of the process energy requirements and greenhouse gas emissions.

"Plastics have revolutionized modern life, maar, until recently, plastic manufacturing has followed a strictly linear economy and is carbon-intensive, " said NREL Senior Research Fellow, BOTTLE Consortium Lead, and journal article senior author Gregg Beckham. "Circular approaches to this problem can reduce our reliance on fossil-based carbon and thus reduce greenhouse gas emissions. With annual plastic production expected at nearly 600 million tons by 2050, the time to act is now."

The efforts of NREL and the BOTTLE Consortium, including these new chemical deconstruction and biological upcycling techniques, will be vital tactics in combatting the plastic pollution crisis and the environmental and energy challenges associated with climate change.