Från överfulla deponier till flytande sopöar i haven till mikroplast i avlägsna vildmarksområden, miljarder ton kasserad plast har skapat en global föroreningskris.

Även om plast är viktigt för vår vardag, de är hållbara material som inte bryts ned naturligt, det tar decennier eller till och med århundraden att sönderfalla i deponier eller den naturliga miljön. Mer än 82 miljoner ton polyetylentereftalat (PET) produceras globalt varje år för att tillverka engångsdryckersflaskor, förpackning, Kläder, och mattor, och det är en av de största källorna till plastavfall.

Forskare från U.S. Department of Energys (DOE:s) National Renewable Energy Laboratory (NREL) gör framsteg med en möjlig lösning på PET-avfall. Ett samarbetande forskarlag kombinerar kemi och biologi för att förvandla PET till ett nylonmaterial med bättre egenskaper som kan användas för att skapa ett mer mångsidigt utbud av nya produkter.

I kombination med den biooptimerade tekniken för att hålla termoplasten borta från deponier och miljön (BOTTLE), NREL-forskare och partners från Oak Ridge National Laboratory (ORNL) konstruerade en bakterie för att omvandla dekonstruerad PET till byggstenar för en överlägsen nylonprodukt. Som beskrivs i "Tandem kemisk dekonstruktion och biologisk uppcykling av poly(etylentereftalat) till β-ketoadipinsyra av Pseudomonas putida KT2440, "nyligen publicerad i Metabolic Engineering, dessa högpresterande monomerer kan sedan återvinnas till mer värdefulla plastmaterial och produkter, en process som kallas upcycling.

"Detta biologiska omvandlingssteg är en viktig del av ekvationen som gör PET-uppcykling möjlig, skapa möjligheten att förvandla förorenande plastflaskor till prisvärda tillverkningsmaterial, i slutändan för oss närmare en cirkulär ekonomi i stor skala, " sa NREL-forskaren och tidskriftsartikelns första författare Allison Werner.

En cirkulär ekonomi kan förlänga den funktionella livslängden för molekylerna för att göra jungfrulig plast, samtidigt som man minskar avfallet, bevara resurser, och öka effektiviteten. Detta kan hjälpa till att leverera förnödenheter som tillverkas med mindre råmaterial och energi och hålla sig borta från deponier.

BOTTLE-forskare undersöker hur en rad kemiska och biologiska processer kan användas för att dekonstruera plastavfall och återvinna dem till högre värde, återvinningsbart material. Det senaste BOTTLE-projektet dekonstruerade PET med en kemokatalytisk process och konstruerade bakterien Pseudomonas putida KT2440 för att omvandla PET till den kemiska β-ketoadipinsyra (βKA), en byggsten för prestandafördelaktigt nylon.

NREL och ORNL samarbetade för att konstruera bakterierna. ORNL konstruerade bakterierna för att använda en nyckelmellanprodukt i PET-nedbrytning, vilket gjorde det möjligt för NREL-teamet att bygga en komplett plattform för biokonvertering.

Att hantera problem med PET

Varje typ av plast har sina egna molekylära egenskaper som potentiellt kräver olika metoder för att dekonstruera. PET kan dekonstrueras till monomerer med hjälp av flera olika kemiska processer. Dock, de mekaniska metoder som används för merparten av PET-återvinningen idag kan resultera i dålig kvalitet och mindre lönsamma produkter, leder till låg återvinningsgrad. Olika källor visar att för närvarande bara 15 % till 35 % av alla PET-flaskor får ett andra liv.

De biologiska transformationer som konstruerats av NREL- och ORNL -forskare till P. putida, parat med en kemokatalytisk glykolysprocess, kan skapa en mer värdefull produkt från PET och i slutändan stimulera högre återvinningshastigheter – så småningom översättas till färre kasserade plastflaskor som förorenar havets vatten och bergsvildmarksområden.

Materialet som extraheras genom denna tandem katalytiska dekonstruktion och biologiska omvandlingsteknik erbjuder bättre egenskaper än de vanliga typerna av nylon som det är avsett att ersätta, inklusive lägre vattenpermeabilitet, högre smälttemperatur, och högre glasövergångstemperatur. Dessa prestandafördelar utökar hur materialet kan användas, inklusive för bildelar som måste tåla höga temperaturer. Ökat värde på det återvunna materialet kan motivera industrin att återvinna mer plast, leder till plaståtervinning i mycket större skala.

Vägrar rulla över på plastföroreningar

Även om detta första genombrott redan lovar att utöka möjligheterna för PET-upcycling, forskare fortsätter att förfina metoden. Förutom att optimera gränssnittet kemi-biologi, teamet utvärderar en lång rad andra faktorer.

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, men, 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.