PET-Recycling mit Biokatalysatoren. Markus Barth

Transkript

1 PET-Recycling mit Biokatalysatoren Markus Barth

2 weltweiter PET-Verbrauch [MT] Polyethylenterephthalat 30 Eigenschaften: vielseitig hohe Beständigkeit leichtes Gewicht Abfall-Problem: 0 Fasern Verpackungen Folien Tech. Anwendungen (IK Industrievereinigung Kunststoffverpackungen e.v.) hohe Resistenz gegen einen Abbau unter natürlichen Umweltbedingungen

3 PET-Recyclingverfahren Mechanisches Recycling 1. Waschen 2. Zerkleinern 3. Einschmelzen 4. Synthese Chemisches Recycling a) Hydrolyse b) Methanolyse c) Glykolyse Qualitätsverlust ( Downcycling ) nicht abtrennbare Farbstoffe Umweltschädliche Chemikalien extreme Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) kapitalintensiv Biokatalytisches PET-Recycling Abbau von PET mit Hilfe von Enzymen milde Reaktionsbedingungen geringer Energieverbrauch Quelle:

4 Biokatalytischer PET-Abbau Enzym Enzym Produkt PET Substrat Produkt unlösliches Substrat Oberflächenerosions-Prozess Adsorption/Desorption Quelle:

5 Biokatalytisches PET-Recycling PET-Hydrolasen Bakterien und Pilze Carboxylesterasen, Lipasen und Cutinasen Kompost aus Pflanzenmaterial Hydrolysieren pflanzliches Cutin Cutinase des thermophilen Actinomyceten T. fusca hohe Temperaturstabilität hohe Aktivität bei PET-Substraten keine Deckel - Struktur Aktives Zentrum leichter für große Substratmoleküle zugänglich

6 Produktion Cutinase (TfCut2) Rekombinante Herstellung von TfCut2 Identifizierung des Cutinase-Gens Synthetisierung des optimierten Gens Rekombinante Expression in Escherichia coli Produktion im großen Maßstab Bioreaktor Cutinase-Gen E. Coli Stamm Quelle:

7 Enzymatisches PET-Recycling Umweltfreundlicher Abbau von PET vollständiger Abbau von PET Folie (3 cm² ml -1 ) Abbautemperatur: 70 C ohne Chemikalien Problem: lange Abbauzeit 0 h 12 h 48 h 96 h (Ronkvist et al., 2009, Macromolecules, 42(14): )

8 Nr.

9 Identifizierung von PET abbauenden Enzymen Metagenomische Analyse 1. Isolierung von DNA aus Umweltproben Umweltproben: Kompost aus Pflanzen, Meerproben für das Enzym spezifisches Milieu 2. Erstellung der einer genomischen DNA-Bibliothek Erzeugung von DNA-Fragmenten Vervielfältigung der DNA-Fragmente in Wirtsorganismus 3. Analyse der metagenomischen Bibliothek Identifizierung von Klonen mit bestimmten, gesuchten Eigenschaften PET-Hydrolasen: hohe Aktivität gegenüber PET-Substraten hohe Stabilität (Sulaiman et al., 2014, Biochemistry, 53(11): )

10 TPA mm [%] Genetische Optimierung der PET-Hydrolasen Ortsgerichtete Mutagenese spezifische Änderung der DNA-Sequenz bewusste Mutation im Enzym erzeugen Eigenschaften des Enzyms ändern bzw. verbessern 0 Native L182A PET-Hydrolasen: höhere Aktivität höhere Stabilität bessere Zugänglichkeit des PET (Araujo et al., 2006, J Biotechnol, 128(4): )

11 Verfahrenstechnische Optimierung des PET Abbaus Optimierung der enzymatischen PET-Hydrolyse: 1. Vorbehandlung der konsumierten PET-Produkte Waschen/Inkubieren Zerkleinern 2. Abbaureaktor Batch/Kontinuierliches System mechanischer Energieeintrag 3. Puffersystem Art des Puffers ph-wert/salzkonzentration 4. Enzym/Substrat-Verhältnis 5. Abbautemperatur 6. Zusatzstoffe Quelle:

12 Einfluss der Abbauprodukte Hauptprodukte: Terephthalsäure (TPA) Ethylenglykol (EG) Zwischenprodukte: Bis-(2-hydroxyethyl-)terephthalat (BHET) Mono-(2-hydroxyethyl-)terephthalat (MHET) (Barth et al., 2015, Biochemical Engineering Journal, 93(0): )

13 PET-Hydrolyse im Membranreaktor Optimierte PET-Hydrolyse Abtrennung der freigesetzten Abbauprodukte Minimierung der kompetitiven Hemmung

14 Einfluss von Kalzium auf den PET-Abbau Optimierung der Thermostabilität: Zugabe von Kationen: MgCl 2, CaCl 2 Minimierung der Flexibilität kritischer Bereiche Erhöhung der Thermostabilität PET-Abbau nahe der Glasübergangstemperatur Optimierte PET-Hydrolyse (Then et al., 2015, Biotechnol J., 10, )

15 Zusammenfassung PET-Abbau mit Biokatalysatoren Umweltfreundliche Alternative zu den konventionelle Verfahren Grundlagen für Recyclingverfahren vorhanden Enzymproduktion im großen Maßstab Problem: langsame Hydrolyse von PET Heterogenes System, aromatische Bestandteile Optimierung und Entwicklung 1. Neue Enzyme 2. Genetische Verbesserung der vorhandenen Enzyme 3. Verfahrenstechnische Entwicklung/Optimierung Zukunft: PET-Recycling mit Biokatalysatoren

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Quelle:

17 PET-Oberflächenmodifizierung Umweltfreundliche Methode der Oberflächenmodifizierung Verbesserung der hydrophilen Eigenschaften Färbeverhalten milde Bedingungen und ohne Chemikalien Oberflächenerosionsprozess (Brückner et al., 2008, Journal of Polymer Science, 46(19): )