Wissenschaftler kombinieren Chemie und Biologie, um gemischte Kunststoffe zu recyceln

Nov 30, 2023

Ein chemischer und biologischer Tandemprozess, der auf jahrzehntealten Studien zur chemischen Oxidation basiert, kann zum Abbau einer Vielzahl von Kunststoffarten eingesetzt werden. | PowerUp/Shutterstock

Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, gemischte Polymerkunststoffe in ein einziges chemisches Produkt umzuwandeln, wodurch möglicherweise die Notwendigkeit entfällt, Kunststoffe vor dem Recycling nach Typ zu sortieren.

„Die Kombination chemischer und biologischer Prozesse ist eine vielversprechende neue Strategie zur Verwertung gemischter Kunststoffabfälle“, heißt es in einer Pressemitteilung des NREL.

Das Projekt stammt vom Konsortium „Bio-Optimized Technologies to keep Thermoplastics out of Landfills and the Environment“ (BOTTLE) und dem National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums.

Gregg Beckham, leitender Forschungsstipendiat am NREL und Leiter von BOTTLE, sagte in der Pressemitteilung, dass die Forschung „einen potenziellen Einstiegspunkt in die Verarbeitung von Kunststoffen darstellt, die heute überhaupt nicht recycelt werden können“.

Bei dem Verfahren handelt es sich um einen chemischen und biologischen Tandemprozess, der auf jahrzehntealten Studien zur chemischen Oxidation basiert und zum Abbau verschiedener Kunststoffarten eingesetzt werden kann. In der Studie wurde es an PET, PS und HDPE getestet, die Forscher sagten jedoch, dass es auch für PP und PVC funktionieren könnte. Das Team plant, diese Materialien weiter zu untersuchen.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht, mit Beckham als leitendem Autor. Co-Autoren waren NREL-Forscher und BOTTLE-Teammitglieder vom Massachusetts Institute of Technology, dem Oak Ridge National Laboratory und der University of Wisconsin-Madison.

Kevin Sullivan, Postdoktorand am NREL und Mitautor des Artikels, sagte, dass der Prozess Sauerstoff und Katalysatoren nutzt, um die großen Polymermoleküle aufzuspalten.

„Der chemische Katalyseprozess, den wir verwendet haben, ist lediglich eine Möglichkeit, den natürlich ablaufenden Prozess zu beschleunigen, sodass man diese Kunststoffe innerhalb von Stunden oder Minuten abbauen kann, anstatt sie über mehrere hundert Jahre hinweg abzubauen“, sagte Sullivan.

Die Oxidation verwandelt PS, PET und HDPE in ein „komplexes Gemisch chemischer Verbindungen – darunter Benzoesäure, Terephthalsäure und Dicarbonsäuren –, das fortgeschrittene und kostspielige Trennungen erfordern würde, um reine Produkte zu erhalten“, heißt es in der Pressemitteilung, aber das BOTTLE-Team verwendete Biologie, um eine Abkürzung zu nehmen.

Die Forscher haben eine Bodenmikrobe namens Pseudomonas putida entwickelt, um die Mischung von Zwischenprodukten entweder in Polyhydroxyalkanoate (PHAs), eine Form biologisch abbaubarer Biokunststoffe, oder in Beta-Ketoadipat zu „leiten“, das zur Herstellung von Nylonmaterialien verwendet werden kann.

Allison Werner, eine weitere Co-Autorin der Studie, sagte, dass biologisches Trichtern darin bestehe, das Stoffwechselnetzwerk von Mikroben so zu manipulieren, „dass der Kohlenstoff von einer großen Anzahl von Substraten in ein einziges Produkt geleitet wird“.

„Dazu nehmen wir DNA aus der Natur – meist anderen Mikroben – und fügen sie in das Genom von Pseudomonas putida ein“, sagte Werner. „Die DNA wird in RNA umgeschrieben, die wiederum in Proteine ​​übersetzt wird, die verschiedene biochemische Transformationen durchführen, ein neues Stoffwechselnetzwerk bilden und es uns letztendlich ermöglichen, mehr Kohlenstoff einzufangen und zu steuern, wohin er geht.“

Zuvor haben Wissenschaftler dieselbe Mikrobe verwendet, um chemische Mischungen aus pflanzlichen Zellwänden aufzuwerten. Beckham betonte, dass die manipulierten Bakterien Kunststoffe nicht direkt abbauen.

„Wenn man die Bakterien, die wir gerade verwenden, mit Polyethylen kombiniert, sterben die Bakterien ab und der Kunststoff bleibt dort“, sagte Beckham, weshalb der Oxidationsprozess notwendig ist.

Das BOTTLE-Team plant, weitere Forschungen durchzuführen, um alle Zusatzstoffe und Farbstoffe in Kunststoffen zu verstehen und zu quantifizieren, und eine bevorstehende NREL-Mission zur Internationalen Raumstation wird testen, ob die Mikrogravitation den Prozess verbessert.

Die Studie wurde vom Advanced Manufacturing Office und dem Bioenergy Technologies Office des US-Energieministeriums finanziert.