Разложение пластиковых отходов с помощью недавно разработанных биокатализаторов

Графический реферат. Биоразложение водорастворимого ПВС микроорганизмами происходит медленно и часто с участием ферментов, зависимых от пирролохинолинхинона (PQQ). В этом исследовании мы представляем модифицированную пленку ПВС с улучшенными свойствами, а также независимый от пирролохинолинхинона новый ферментативный каскад, состоящий из липазы, алкогольдегидрогеназы и монооксигеназы Байера-Виллигера для деградации модифицированного и немодифицированного ПВС. Предоставлено: Международное издание Angewandte Chemie (2023 г.). DOI: 10.1002/anie.202216962

Пластиковые материалы полиуретан и поливиниловый спирт теперь можно разлагать в мягких условиях с помощью ферментов в качестве биокатализаторов.

Ученые из Университета Грайфсвальда разработали соответствующие методы совместно с немецкой компанией Covestro и коллективами из Лейпцига и Дублина, о чем недавно были опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition в двух отдельных статьях. Таким образом, стало возможным создать устойчивый и экологически безопасный процесс переработки этих полимеров.

Это помогает решить глобальную проблему пластиковых отходов на примере этих двух синтетических полимеров, которые производятся в промышленных масштабах.

В настоящее время пластмассы незаменимы для производства строительных материалов, электроизоляции, упаковки напитков и пищевых продуктов, текстиля и многих других применений. К сожалению, массовое производство синтетических полимеров , особенно для упаковочных материалов, привело к огромной проблеме отходов для окружающей среды. Полимеры полиуретан и поливиниловый спирт составляют примерно 8 процентов европейского производства пластика.

В течение нескольких лет методы достижения экологически чистой переработки пластмасс были предметом интенсивных исследований. Это не только сбережет окружающую среду, но и уменьшит количество бензина, необходимого для химического производства новых пластиков. Кроме того, мусоросжигательные заводы, которые в настоящее время сжигают пластиковые отходы, будут выбрасывать меньше парниковых газов CO 2 .

Полиуретаны (PUR) используются для производства матрасов, изоляционных материалов, термопластов (например, для спортивной обуви) и покрытий (герметики, краски, клеи). Для разложения этих соединений были разработаны химические методы, но они требуют большого количества энергии, поскольку требуются высокие температуры и давления.

Биотехнологические методы, использующие микроорганизмы или ферменты в качестве природных биокатализаторов, представляют собой альтернативу, поскольку они позволяют разлагать и особенно перерабатывать – выделять строительные блоки для производства новых пластиков – при умеренных температурах не выше 40°C и без использования химических реагентов.

Команда профессора доктора Уве Борншойера из Института биохимии Университета Грайфсвальда вместе с учеными из компании Covestro (Леверкузен) теперь идентифицировала ключевые ферменты, которые способны разлагать полиуретан на строительные блоки после предварительной химической обработки.

«Поиск этих специфических биокатализаторов был очень трудоемким, поскольку нам пришлось отсеять около двух миллионов кандидатов, чтобы обнаружить первые три фермента, которые, как было доказано, разрушают особую химическую связь, присутствующую в полиуретанах», — объясняет доктор философии. студент Янник Брэнсон (Университет Грайфсвальда), описывающий сложность этого проекта.

«С этим новаторским открытием у нас теперь есть предпосылки для разработки этих биокатализаторов с использованием методов белковой инженерии, направленных на разработку промышленной переработки полиуретанов», — далее объясняет профессор доктор Уве Борншойер (Университет Грайфсвальда). «Используя эти недавно идентифицированные ферменты, мы значительно приблизимся к нашей цели — экономике замкнутого цикла для полимерной промышленности», — добавляет д-р Гернот Ягер, руководитель Центра компетенций в области биотехнологии в Covestro AG (Леверкузен).

Поливиниловые спирты (ПВС) обладают универсальными свойствами и также широко применяются, например, для покрытия волокон и в качестве фольги для упаковки. До сих пор не существует зрелых процессов разложения ПВС. Здесь группе профессора Борншойера также удалось разработать основные принципы биотехнологического процесса вместе с экспертом по полимерам из Университетского колледжа Дублина (Ирландия) и учеными из Лейпцига. Разложение ПВС может быть достигнуто с помощью элегантной комбинации трех различных ферментов, которые затем способны поэтапно модифицировать полимер для получения фрагментов полимера, которые затем можно использовать для его переработки

Ян Мессершмидт, Грайфсвальдский университет