Molti enzimi promettono di scomporre la plastica. Ma ciò che funziona in laboratorio spesso fallisce su larga scala. Ora un nuovo studio condotto da Gert Weber, HZB, Uwe Bornscheuer, Università di Greifswald e Alain Marty, direttore scientifico di Carbios, mostra come alzare il livello degli esperimenti di laboratorio potrebbe aiutare a identificare approcci promettenti più rapidamente. Il team ha dimostrato i nuovi standard su quattro enzimi appena scoperti.
Di tanto in tanto, i media riportano importanti progressi nel riciclaggio del polietilene tereftalato (PET), grazie alla scoperta di enzimi che scompongono la plastica nelle sue parti costitutive. Tuttavia, il primo caso di successo del laboratorio accademico è solitamente seguito dal silenzio.
Il PET rappresenta il 18% della produzione mondiale di plastica, rendendolo una delle materie plastiche più importanti in termini di volume. L’azienda biotecnologica Carbios, ad esempio, prevede di costruire entro il 2025 un impianto nel nord-est della Francia, in grado di riciclare 50.000 tonnellate di PET all’anno. Sono interessati a trovare i migliori enzimi possibili per la loro configurazione industriale e hanno capito che molti risultati della ricerca di laboratorio non possono essere trasferiti su scala più ampia.
"Alcuni enzimi funzionano bene negli esperimenti di laboratorio per alcune ore, ma perdono la loro attività molto rapidamente e il substrato non è completamente degradato", afferma Gert Weber, esperto di HZB. Questo non è un problema nella provetta in laboratorio, ma lo è quando viene utilizzata in un grande bioreattore.
Insieme all'azienda biotecnologica Carbios, Uwe Bornscheuer e Gert Weber hanno dimostrato come i nuovi enzimi per la degradazione del PET possano essere confrontati meglio tra loro. La ricerca è pubblicata sulla rivista ACS Catalysis .
"Per consentire un successivo upscaling, molti parametri devono rientrare in un intervallo ristretto anche negli esperimenti di laboratorio, il materiale di partenza deve essere definito con precisione e i protocolli di test devono essere più standardizzati per valutare meglio le prestazioni degli enzimi e la loro applicazione su su scala industriale", spiega Bornscheuer.
I ricercatori hanno quindi sviluppato un protocollo standardizzato di idrolisi del PET che definisce le condizioni di reazione rilevanti per l’idrolisi su scala più ampia. In particolare sono stati utilizzati due materiali PET, da un lato una pellicola di PET definita e dall'altro un granulato di PET proveniente da bottiglie di scarto, come quello utilizzato su scala tecnica da Carbios. Hanno utilizzato questi materiali per testare quattro enzimi di decomposizione del PET scoperti di recente:LCC-ICCG, FAST-PETase, HotPETase e PES-H1L92F/Q94Y.
Durante la sperimentazione con questo protocollo, hanno scoperto che due di questi enzimi, FAST-PETase e HotPETase, erano meno adatti per un uso su larga scala, principalmente a causa dei loro tassi di depolimerizzazione relativamente bassi. PES-H1L92F/Q94Y ha ottenuto risultati migliori. Il quarto candidato, LCC-ICCG, ha sovraperformato di gran lunga gli altri enzimi:LCC-ICCG converte il 98% del PET nei prodotti monomerici acido tereftalico (TPA) e glicole etilenico (EG) in 24 ore.
"Inoltre, siamo stati in grado di ridurre la quantità di enzima richiesta per LCC-ICCG di un fattore tre e la temperatura di reazione da 72 a 68°C, il che rende l'uso di questo enzima più economico", afferma Bornscheuer.
"Dovremmo pensare alle applicazioni industriali già nella nostra ricerca di laboratorio", afferma Gert Weber. Dopotutto, abbiamo a che fare con uno dei problemi più grandi del nostro tempo. La plastica viene ancora prodotta ripetutamente a partire da materie prime fossili, i tassi di riciclaggio sono bassi e finora si è trattato principalmente di "downcycling" verso una qualità inferiore.
Oggi i rifiuti di plastica si trovano in tutti i corpi idrici e nel suolo e quindi nella catena alimentare. I progressi sono quindi urgenti. "Con questi standard possiamo fare qualcosa per separare più rapidamente il grano dalla pula."
Ulteriori informazioni: Grégory Arnal et al, Valutazione di quattro enzimi di degradazione del PET ingegnerizzati considerando applicazioni industriali su larga scala, catalisi ACS (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02922
Informazioni sul giornale: Catalisi ACS
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