Många enzymer lovar att bryta ner plast. Men det som fungerar i labbet misslyckas ofta i stor skala. Nu visar en ny studie av Gert Weber, HZB, Uwe Bornscheuer, University of Greifswald, och Alain Marty, Chief Scientific Officer för Carbios, hur en höjning av ribban för laboratorieexperiment kan hjälpa till att identifiera lovande tillvägagångssätt snabbare. Teamet demonstrerade de nya standarderna på fyra nyupptäckta enzymer.
Då och då rapporterar media om stora framsteg inom återvinningen av polyetylentereftalat (PET), tack vare nyupptäckta enzymer som bryter ner plasten till dess beståndsdelar. Den första framgångssagan från det akademiska laboratoriet brukar dock följas av tystnad.
PET står för 18 % av världens plastproduktion, vilket gör den till en av de viktigaste plasterna sett till volym. Bioteknikföretaget Carbios planerar till exempel att bygga en anläggning i nordöstra Frankrike till 2025, som kan återvinna 50 000 ton PET per år. De är intresserade av att hitta de bästa möjliga enzymerna för sin industriella installation och har insett att många resultat från laboratorieforskning inte kan överföras till en större skala.
"Vissa enzymer fungerar utmärkt i laboratorieexperiment under några timmar, men de tappar sin aktivitet väldigt snabbt och substratet bryts inte ned helt", säger HZB-experten Gert Weber. Detta är inget problem i provröret i laboratoriet, men det är när det används i en stor bioreaktor.
Tillsammans med bioteknikföretaget Carbios har Uwe Bornscheuer och Gert Weber visat hur nya enzymer för PET-nedbrytning bättre kan jämföras med varandra. Forskningen är publicerad i tidskriften ACS Catalysis .
"För att möjliggöra uppskalning senare måste många parametrar ligga inom ett snävt område även i laboratorieexperiment, utgångsmaterialet måste vara exakt definierat och testprotokollen måste vara mer standardiserade för att bättre kunna bedöma enzymernas prestanda och deras tillämpning på en industriell skala", förklarar Bornscheuer.
Forskarna har därför utvecklat ett standardiserat PET-hydrolysprotokoll som definierar reaktionsförhållanden som är relevanta för hydrolys i större skala. I synnerhet användes två PET-material, dels en definierad PET-film och dels PET-granulat från avfallsflaskor, som Carbios använder i teknisk skala. De använde dessa material för att testa fyra nyligen upptäckta PET-nedbrytande enzymer:LCC-ICCG, FAST-PETase, HotPETase och PES-H1L92F/Q94Y.
När de experimenterade enligt detta protokoll fann de att två av dessa enzymer, FAST-PETase och HotPETase, var mindre lämpliga för storskalig användning, främst på grund av deras relativt låga depolymerisationshastigheter. PES-H1L92F/Q94Y presterade bättre. Den fjärde kandidaten, LCC-ICCG, överträffade de andra enzymerna klart:LCC-ICCG omvandlar 98 % av PET till de monomera produkterna tereftalsyra (TPA) och etylenglykol (EG) på 24 timmar.
"Dessutom kunde vi minska mängden enzym som krävs för LCC-ICCG med en faktor tre och reaktionstemperaturen från 72 till 68°C, vilket gör användningen av detta enzym mer ekonomisk", säger Bornscheuer.
"Vi bör tänka på industriella tillämpningar redan i vår laboratorieforskning", säger Gert Weber. Vi har trots allt att göra med ett av vår tids riktigt stora problem. Plast produceras fortfarande om och om igen av fossila råvaror, återvinningsgraden är låg och hittills har det mest handlat om "downcycling" till sämre kvalitet.
Plastavfall finns nu i alla vatten- och jordförekomster och därmed i näringskedjan. Framsteg är därför brådskande. "Med dessa standarder kan vi göra något för att separera vetet från agnarna snabbare."
Mer information: Grégory Arnal et al, bedömning av fyra konstruerade PET-nedbrytande enzymer som överväger storskaliga industriella tillämpningar, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02922
Journalinformation: ACS-katalys
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
