Plastforurening udgør en eskalerende global krise. Ny forskning giver dog et gran af håb. Ved at bruge mikrobølgestråling og specialiserede enzymer er det lykkedes forskere til at accelerere nedbrydning af plast med hele 1400 gange. Dette gennembrud kan transformere plastgenanvendelse, men der ligger udfordringer og muligheder foran, når forskere sigter mod at opskalere denne nye innovative metode for en grønnere, renere fremtid.
Verden drukner i plastflasker, og konsekvenserne er bekymrende. En umættelig efterspørgsel på plastemballage, især de svært nedbrydelige polyethylen terephthalat (PET) flasker, har resulteret i bjerge af plastaffald. Chokerende nok bliver meget af denne plastik ikke genanvendt, men forurener i stedet have og truer dyrelivet. En ny metode, der kombinerer mikrobølgestråling med specialiserede enzymer, har potentiale til at ændre håndteringen af plastaffald.
"Den nøglestrategi, der anvendes i øjeblikket på dette område, er at generere termisk stabile enzymer til plastgenanvendelse, der muliggør nedbrydning ved høje temperaturer. Vi tager en anden tilgang - vi udvikler en metode til genanvendelse ved stuetemperatur, hvilket gør denne proces potentielt mere energieffektiv," forklarer Per-Olof Syrén, lektor ved Division of Coating Technology, KTH Royal Institute of Technology, Stockholm, Sverige.
78% udbytte ved konvertering
Historisk set har plastgenbrug primært bygget på mekaniske processer, hvilket også har begrænset effektiviteten med mindre man har rene og enkelte type plastik. Fremkomsten af muligheden for biologisk og enzymatisk nedbrydning til at nedbryde plastik har dog givet håb om også at genanvende blandinger. Syntetiske plastikker som PET skaber dog vanskelige udfordringer på grund af deres komplekse struktur og høje krystallinitet.
"Forbehandling er afgørende inden for biokatalytisk plastgenanvendelse. Vi blev inspireret af naturens løsninger til at nedbryde robuste biomassematerialer, som fx lignocellulose fra planter. Vi bruger derfor en forbehandlingsmetode for at forbedre tilgængelighed og kontrollere materialets struktur. Mikrobølgestrålingen viser sig at blødgøre PET's modstandsdygtige struktur, hvilket skaber et godt grundlag for den videre nedbrydning."
I deres eksperimenter har PET-flasker fungeret som modeller. Efter at have underkastet plasten en optimeret mikrobølgeforbehandling, brugte Per-Olof Syren og hans kolleger særligt konstruerede enzymer kaldet PETaser. Denne strategiske kombination resulterede i en bemærkelsesværdig 1400-fold stigning i frigivelsen af terephthalsyre, der et afgørende nedbrydningsprodukt af PET.
"Vores tilgang forbedrer markant PET's tilgængelighed for enzymerne og lægger derfor grunden til effektiv genanvendelse. Mikrobølgestråling ser ud til at skabe kortere, mere håndterbare PET-kæder, og det er foragtigt for enzymatisk nedbrydning. Efter kun 2 timers mikrobølgeforbehandling efterfulgt af 1 times enzymatisk reaktion ved en mild temperatur på 30°C opnåede vi et udbytte på 78% ved omdannelse af PET."
Eksklusive konformationer
Mekanismen for mikrobølgestråling er stadig ikke fuldstændigt forstået. Hypotesen er, at hydrolyse - dvs vandfraspaltning - under forbehandlingen får plastmaterialet til at krystallisere, og det gør det tilsyneladende mere tilgængeligt for enzymerne at nedbryde eller genanvende.
"Forbehandlingsmetoden splater først vandet fra i de amorfe - uordnede - dele, hvilket genererer et meget mere krystallinsk materiale til sidst. Så materialet genkrystalliserer faktisk. Så vi ender med noget, der stadig er kæder - plastikpolymerer - men meget kortere kæder end før - og enzymerne kan derfor nemmere nedbryde disse kortere kæder."
For at genbruge plasten skal de lange plastikpolymerkæder dog nedbrydes i enkeltmonomerer, der, ligesom LEGO-klodser, der derefter kan samles igen til nye lange plastikpolymerkæder. Der er imidlertid forskellige typer klodser - trans og gauche - og nogle enzymer kan kun adskille eller nedbryde kæder med én type blok. Tidligere genanvendelsesmetoder havde ofte en blanding af disse, hvilket gjorde genanvendelse udfordrende.
"Vi fulgte nedbrydningen i realtid ved hjælp af såkaldt NMR-spektroskopi for at analysere reaktionens resultat i detaljer, da dette kan hjælpe med at identificere typer og mængder af producerede - klodser - monomerer."
Og NMR viste sig at være et effektivt værktøj til at vurdere processens effektivitet og guide optimeringen af de nye genanvendelsesmetoder.
"Mikrobølgebehandlingen efterlader monomererne næsten udelukkende i trans-strukturen. Og det er meget godt, fordi vi har skabt et enzym, der er meget aktivt for trans frem for gauche eller en blanding."
Svært at få industrien til at tage det i brug
De nye resultater antyder, at mikrobølgebaseret forbehandling måske er en enkel og effektiv metode til at forbedre enzymkatalyseret plastgenanvendelse, da den effektivt forkorter polymerkæderne af PET og får dem til at antage gunstige konformationer, der er mere tilgængelige for den enzymatiske nedbrydning. Selvom de nye forskningsresultater måske markerer et grundlæggende gennembrud, er der stadig betydelige udfordringer.
"Mikrobølgestråling som en forbehandlingsmetode har potentiale til at fremskynde biokatalytisk plastgenanvendelse og bringe os tættere på en verden, hvor plastaffald er en saga blot. Så i fremtiden forestiller vi os at vi nok skal kunne skalere denne teknologi op til industrielle genanvendelsesprocesser. Men at skalere mikrobølgereaktorteknologi er i dag stadig en udfordring, og vi har brug for alsidige enzymer til at håndtere forskellige typer plast."
Nogle start-ups fokuserer allerede i dag primært på kemisk nedbrydning, hvilket fungerer godt med visse polyesterplastikker. Så Per-Olof Syren er optimistisk omkring at få industrien til at tage den del af processen i brug.
"Jeg vil sige, at nedbrydnings-industrien sandsynligvis er mindre konservativ end selve produktions-delen - altså dem der skal genanvende enkeltklodserne. Hvis vi fx ønsker at skabe et nyt smart materiale baseret på produkterne fra genanvendelsesprocessen eller materialer, der er nemmere at nedbryde, er det meget svært at få industrien til det, fordi de allerede er vant til at lave specifikke produkter og tjener penge på det. Så hvorfor skulle de pludselig begynde at lave helt nye molekyler, hvilket betyder, at de skal ændre hele deres proces?"
