Veel enzymen beloven plastic af te breken. Maar wat in het lab werkt, mislukt vaak op grote schaal. Nu laat een nieuwe studie door Gert Weber, HZB, Uwe Bornscheuer, Universiteit van Greifswald, en Alain Marty, Chief Scientific Officer van Carbios, zien hoe het hoger leggen van de lat voor laboratoriumexperimenten zou kunnen helpen veelbelovende benaderingen sneller te identificeren. Het team demonstreerde de nieuwe standaarden voor vier nieuw ontdekte enzymen.

Van tijd tot tijd berichten de media over grote vooruitgang in de recycling van polyethyleentereftalaat (PET), dankzij nieuw ontdekte enzymen die het plastic in zijn samenstellende delen afbreken. Het eerste succesverhaal uit het academisch laboratorium wordt echter meestal gevolgd door stilte.

PET is goed voor 18% van de plasticproductie in de wereld, waardoor het qua volume een van de belangrijkste kunststoffen is. Het biotechbedrijf Carbios is bijvoorbeeld van plan om tegen 2025 een fabriek te bouwen in het noordoosten van Frankrijk, die 50.000 ton PET per jaar kan recyclen. Ze zijn geïnteresseerd in het vinden van de best mogelijke enzymen voor hun industriële opzet en hebben zich gerealiseerd dat veel resultaten uit laboratoriumonderzoek niet naar grotere schaal kunnen worden overgebracht.

“Sommige enzymen werken prima in laboratoriumexperimenten van een paar uur, maar verliezen heel snel hun activiteit en het substraat wordt niet volledig afgebroken”, zegt HZB-expert Gert Weber. In de reageerbuis in het laboratorium is dit geen probleem, maar wel bij gebruik in een grote bioreactor.

Samen met het biotechbedrijf Carbios hebben Uwe Bornscheuer en Gert Weber laten zien hoe nieuwe enzymen voor PET-afbraak beter met elkaar vergeleken kunnen worden. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Catalysis .

“Om later opschaling mogelijk te maken, moeten veel parameters zelfs in laboratoriumexperimenten binnen een smal bereik liggen, moet het uitgangsmateriaal nauwkeurig worden gedefinieerd en moeten de testprotocollen meer gestandaardiseerd zijn om de prestaties van de enzymen en hun toepassing op op industriële schaal", legt Bornscheuer uit.

De onderzoekers hebben daarom een ​​gestandaardiseerd PET-hydrolyseprotocol ontwikkeld dat reactieomstandigheden definieert die relevant zijn voor hydrolyse op grotere schaal. In het bijzonder is gebruik gemaakt van twee PET-materialen, ten eerste een gedefinieerde PET-folie en ten tweede PET-granulaat uit afvalflessen, zoals Carbios dit op technische schaal gebruikt. Ze gebruikten deze materialen om vier recent ontdekte PET-afbrekende enzymen te testen:LCC-ICCG, FAST-PETase, HotPETase en PES-H1L92F/Q94Y.

Toen ze onder dit protocol experimenteerden, ontdekten ze dat twee van deze enzymen, FAST-PETase en HotPETase, minder geschikt waren voor grootschalig gebruik, voornamelijk vanwege hun relatief lage depolymerisatiesnelheden. PES-H1L92F/Q94Y presteerde beter. De vierde kandidaat, LCC-ICCG, presteerde veruit beter dan de andere enzymen:LCC-ICCG zet 98% van PET in 24 uur om in de monomere producten tereftaalzuur (TPA) en ethyleenglycol (EG).

"Bovendien konden we de hoeveelheid enzym die nodig is voor LCC-ICCG met een factor drie verminderen en de reactietemperatuur van 72 naar 68°C, wat het gebruik van dit enzym economischer maakt", zegt Bornscheuer.

"We moeten al in ons laboratoriumonderzoek nadenken over industriële toepassingen", zegt Gert Weber. We hebben tenslotte te maken met een van de werkelijk grote problemen van onze tijd. Kunststoffen worden nog steeds steeds opnieuw geproduceerd uit fossiele grondstoffen, de recyclingpercentages zijn laag en tot nu toe is het vooral een geval van "downcycling" naar inferieure kwaliteit geweest.

Plastic afval is nu te vinden in alle water- en bodemlichamen en dus in de voedselketen. Vooruitgang is daarom urgent. "Met deze normen kunnen we iets doen om het kaf sneller van het koren te scheiden."

Meer informatie: Grégory Arnal et al., Beoordeling van vier speciaal ontworpen PET-afbrekende enzymen waarbij grootschalige industriële toepassingen worden overwogen, ACS-katalyse (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02922

Journaalinformatie: ACS-katalyse

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra