en 
Productadvies
Uw e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd *
Senior onderzoeker bij het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in de Verenigde Staten De realiteit is dat de meeste PET-producten, vooral PET-kleding en tapijten, tegenwoordig niet worden gerecycled met behulp van traditionele recyclingtechnieken. De onderzoeksgemeenschap ontwikkelt veelbelovende alternatieven, waaronder enzymen die gericht zijn op het depolymeriseren van PET, maar zelfs deze keuzes zijn vaak afhankelijk van een hoog energieverbruik en dure voorbehandelingsstappen om effectief te zijn.
Onderzoekers Jaffes Gardo (links), Erica Erickson (rechts) en collega's hebben enzymen ontdekt en gekarakteriseerd die kristallijn PET afbreken, een plastic dat wordt gebruikt in wegwerpdrankflessen, tapijten, kleding en voedselverpakkingen.
Daarom komt het grootste deel van het PET dat vandaag de dag wordt geproduceerd uiteindelijk terecht op stortplaatsen of in het milieu – zelfs PET-producten die daadwerkelijk in recyclingstations terechtkomen.
Niettemin zei Beckham dat de zaken snel veranderen, en dat geavanceerde methoden op het gebied van machinaal leren en synthetische biologie wetenschappers een ongekend inzicht hebben gegeven in de fundamentele biologie van deconstructieve PET-enzymen. Onlangs hebben Beckham en zijn collega's van de Universiteit van Portsmouth en de Montana State University deze methoden gebruikt om nieuwe enzymvarianten te ontdekken, waarvan wordt verwacht dat ze de meest uitdagende PET zullen deconstrueren zonder aanvullende voorbehandeling.
Dit betekent niet alleen dat we vooroplopen op het gebied van enzymrecycling voor alle vormen van PET, inclusief tapijten en kleding. Het betekent ook dat het recyclen van PET binnenkort goedkoper kan zijn dan het helemaal opnieuw vervaardigen van PET met olie.
— 1 —
Enzymen verborgen in de bodem
Het concept van enzymterugwinning in PET is al sinds 2005 bekend, maar nadat Japanse wetenschappers verbazingwekkende ontdekkingen deden, maakte het in 2016 zijn debuut op het wereldtoneel. Begraven in de grond buiten een recyclingfabriek in Japan, een enzym dat ze stilletjes Ideonella sakaiensis noemen geheimen om verspreide oude plastic drankflessen af te breken.
De natuur biedt een geweldige oplossing voor het verbreken van de chemische bindingen van PET. Om de een of andere reden demonstreert de natuur hoe PET-flessen kunnen worden teruggebracht tot hun basiscomponenten: tereftaalzuur en ethyleenglycol.
Er volgde een reeks onderzoeken. Wetenschappers proberen de enzymen te verbeteren die in de industriële technologie worden gebruikt om jaarlijks miljoenen tonnen PET te verwerken. Ze gaan ervan uit dat het enzymrecyclingplatform, indien verbeterd, de huidige slecht presterende recyclingsystemen volledig kan veranderen, de uitstoot van energie en broeikasgassen kan verminderen en een circulaire economie kan bevorderen voor alle PET-producten - zelfs tapijten en stoffen die niet kunnen worden gerecycled met behulp van traditionele technologieën.
Terwijl onderzoekers zich het potentieel realiseren van het gebruik van enzymen om plastics af te breken, hebben nieuwe artikelen van over de hele wereld de wetenschappelijke literatuur belicht”, aldus John McGeehan, een wetenschapper aan het team van de Universiteit van Portsmouth (UoP) in Groot-Brittannië. Deskundigen uit verschillende vakgebieden, zoals aangezien farmaceutische producten en biobrandstoffen tientallen jaren onderzoekservaring kunnen hergebruiken om enzymen te modificeren
Het enzymterugwinningsplatform van het NREL/UoP-bedrijf ontleedt effectief PET-plastic grondstof (links) in zijn chemische structurele eenheden. Het PET-monster aan de rechterkant daalde in massa met 97,7% nadat het was gehydrolyseerd door enzymen van het NREL/UoP-bedrijf.
De 3D-weergave van DeepMind onthulde onverwachte structurele kenmerken, zoals het enzym 611 in de figuur. Zorgvuldige analyse van de structurele kenmerken van eiwitten zoals enzym 611 zou het team kunnen helpen hun prestaties te verbeteren.
Samen zorgen deze twee rekenmodellen ervoor dat Gado en zijn collega's op onbekend terrein kunnen projecteren. In minder dan een uur screenden ze meer dan 2 miljoen eiwitten, waardoor een shortlist van veelbelovende kandidaten ontstond. Verdere testen bevestigden dat 5 in staat waren PET te deconstrueren, 36 die nog niet eerder in de wetenschappelijke literatuur waren beschreven.
Belangrijk is dat sommige zelfs beter zijn in het afbreken van kristallijn PET dan amorf PET.
"Deze nieuwe enzymen zijn niet alleen genetisch divers", legt Gado uit. "Ze hebben verschillende structuren en verschillende geometrieën van de actieve centra."
Gado kan met vertrouwen praten over de structuur van de 24 nieuwe enzymen, omdat hij ze er zo heeft zien uitzien – tenminste in de 3D-weergaven van onderzoekers van DeepMind, een dochteronderneming van Alphabet. DeepMind staat bekend om het in kaart brengen van het ‘hele eiwituniversum’ en karakteriseerde deze enzymen met zijn deep learning-tool AlphaFold, zodat het team de enzymen naast elkaar kon vergelijken en hun verschillen kon opmerken.
Alle tools hebben de mogelijkheid om PET te deconstrueren, maar er zijn er een paar die er opvallend anders uitzien. Volgens Gado bieden de weergaven van DeepMind waardevolle aanwijzingen over hoe plastic deconstructases op PET inwerken.
"State-of-the-art AI-methoden helpen ons patronen te vinden in enzymgegevens, wat ons begrip zal vergroten van wat goede plastic eetbare enzymen maakt", voegde Gado eraan toe. "Dit zal ons in staat stellen enzymen te verbeteren met eiwitmanipulatie en andere enzymen in de natuur te vinden die vergelijkbaar presteren."
Dit is een nieuwe stap voorwaarts voor een toch al productief onderzoeksteam en een nieuwe stap in de richting van grootschalige PET-recycling.
— 3 —
Goedkoper en milieuvriendelijker
De analyse kwantificeerde de voordelen van enzymatische PET-terugwinning
Volgens Beckham behoren schoonmaken, versnipperen en verwarmen – de stappen die nodig zijn om de afbraak van PET voor te bereiden – tot de belangrijkste duurzaamheidsfactoren voor industriële recyclingfaciliteiten voor enzymen.
"Het minimaliseren van deze voorbehandelingsstappen is van cruciaal belang om de kosten voor het terugwinnen van enzymen concurrerend te maken in vergelijking met de productie van PET-hars uit aardolie", legt hij uit.
Wetenschappers van NREL University en UoP hebben een kosteneffectief, milieuvriendelijk enzymatisch platform ontwikkeld dat post-consumer PET snel kan afbreken in identieke chemische bouwstenen, tereftaalzuur (TPA) en ethyleenglycol (EG).
In daaropvolgende experimenten merkte het team dat sommige enzymen, gelabeld met hun machine learning-methode, even effectief waren in het afbreken van kristallijn en amorf PET. Deze enzymen behoeven helemaal geen voorbehandeling om de binding van kunststoffen te verzachten.
“Door het elimineren van voorbehandeling maakt de technologie PET-recycling op industriële schaal mogelijk, wat feitelijk goedkoper is dan het gebruik van aardolie om nieuw PET te produceren”, aldus Beckham. "Nog beter: het kan de bijbehorende uitstoot van energie en broeikasgassen verminderen."
In een eerder artikel gepubliceerd in Joule, in 2021, had het team de economische en ecologische voordelen van het gebruik van actieve enzymen op kristallijn PET gekwantificeerd. In installaties op industriële schaal kan dit de vraag naar energie in de toeleveringsketen met 45% en de uitstoot van broeikasgassen tijdens de levenscyclus met 38% verminderen, vergeleken met systemen die voorbehandeling gebruiken.
De economische voordelen zijn even indrukwekkend. Bij het weggooien van PET-tapijt en kleding – die niet met conventionele technieken kunnen worden gerecycled – kunnen ze ook tereftaalzuur produceren voor minder dan $ 1 per kilogram. Van aardolie afgeleid tereftaalzuur werd historisch gezien verkocht voor $ 1 tot $ 1,50 per kilogram.
"Ons enzymplatform creëert een economische prikkel om onze oceanen schoon te maken", zegt Erika Erickson, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij de NREL die een groot deel van het experimentele werk achter deze onderzoeken heeft uitgevoerd. "Tegen dergelijke prijzen kan PET-verontreiniging betaalbaar worden gerecycled tot nieuwe PET-producten of nieuwe toepassingen vinden in windturbinebladen of koolstofvezelbumpers."
PET-producten na consumptie, vaak de huidige bron van vervuiling, kunnen worden omgezet in waardevolle hulpbronnen ter ondersteuning van een ecologisch duurzamere kunststofeconomie.
Het is niet moeilijk voor te stellen hoe dit het verhaal over plastic zou veranderen: de recyclingkosten van PET zijn zo laag dat de economie er de voorkeur aan geeft het in de recyclingbak te gooien in plaats van in de prullenbak. Een T-shirt, een vloerkleed, een frisdrankflesje – alles zit erin en als bouwsteen beginnen ze aan hun circulaire reis om een schonere, groenere wereld te creëren.
