Kunststoff durch chemische und biologische Prozesse besser recycelbar machen.

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Von Sodaflaschen über Stoßstangen bis hin zu Rohrleitungen, Elektronik und Verpackungen – Kunststoffe sind zu einem allgegenwärtigen Bestandteil unseres Lebens geworden. Die Fortschritte bei den Materialien haben dazu geführt, dass Kunststoffe kostengünstig, flexibel, hygienisch, leicht, haltbar und leicht verfügbar sind. Während einige Kunststoffe wiederverwertbar sind, wird nur ein Bruchteil – nach Angaben der Umweltschutzbehörde im Jahr 2017 landesweit etwa 8,4% – wiederverwertet. Die überwiegende Mehrheit sammelt sich auf unseren Deponien und in den Ozeanen an.

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, schließen sich Forscher des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums dem Konsortium Bio-Optimized Technologies to keep Thermoplastics out of Deponies and the Environment, oder BOTTLE, an.

In Zusammenarbeit mit anderen nationalen Laboratorien werden die ORNL-Wissenschaftler die Entwicklung neuer Kunststoffe unterstützen, die recyclingfähig sind, indem sie Mikroben und Verfahren anpassen, um die derzeitigen Kunststoffe in chemische Bausteine zu zerlegen, die zur Herstellung höherwertiger Produkte verwendet werden können.

Diese Bemühungen zielen gleichzeitig darauf ab, Abfall in Deponien zu reduzieren und die Bioökonomie des Landes durch die erneuerbare Erzeugung wertvoller Chemikalien zu fördern.

“Kunststoffverschmutzung findet sich im Wesentlichen überall dort, wo Forscher danach suchen”, sagte Greg Beckham, ein leitender Forscher am National Renewable Energy Laboratory und Leiter des BOTTLE-Konsortiums. “Neben der Anhäufung in Mülldeponien und der Schaffung von Müllflecken in unseren Ozeanen zeigen jüngste Arbeiten, dass sich Mikroplastikpartikel in unseren Wildnisgebieten mit einer alarmierenden Geschwindigkeit ansammeln – mehr als 1.000 Tonnen pro Jahr fallen durch Wind und Regen in entlegenen Gebieten im Westen der Vereinigten Staaten.

“Der größte Vorteil des Konsortiums ist die Leidenschaft, mit der jeder Partner für das gemeinsame Ziel der Lösung eines der größten Umweltprobleme der Welt zusammenarbeitet”, fügte er hinzu.

Das BOTTLE-Team wird gemeinsam an der Entwicklung neuer, selektiver und skalierbarer Technologien arbeiten, um die heutigen Plastikgüter mit Hilfe einer Kombination chemischer und biologischer Prozesse zu dekonstruieren. Das dekonstruierte Rohmaterial kann dann zu höherwertigen Materialien aufbereitet oder zur Herstellung neuer Kunststoffprodukte verwendet werden, die das Recycling erleichtern sollen.

Adam Guss vom ORNL leitet die Bemühungen, die sich auf biologische Mittel zur Aufwertung von Kunststoffabfällen zu neuen und wertvolleren Chemikalien konzentrieren. Guss, ein Gen- und Stoffwechselingenieur in der Abteilung Biowissenschaften, entwickelt neue Werkzeuge zur Modifizierung von Nicht-Modell-Mikroben, d.h. von Organismen, die im Labor schwer zu züchten sind und nicht so gut erforscht sind wie Modellmikroben wie E. coli und Hefe.

Kürzlich leitete er ein ORNL-Team, das eine einzelne Mikrobe so modifizierte, dass sie gleichzeitig fünf der am häufigsten vorkommenden Komponenten der lignozellulosehaltigen Biomasse verzehrt, ein bedeutender Schritt hin zu einem kostengünstigen biochemischen Umwandlungsprozess, mit dem Pflanzen in erneuerbare Kraftstoffe und Chemikalien umgewandelt werden können.

Guss ist begeistert von der Anwendung ähnlicher Werkzeuge und Methoden, um Mikroben in Upcycle-Kunststoffe zu verwandeln.

“Mikroorganismen in der Umwelt verfügen über eine erstaunliche Anzahl von Genen und Stoffwechselwegen, die unglaublich nützlich für die Umwandlung von Kunststoffen in neue Chemikalien sein könnten, aber viele dieser Organismen sind noch nicht entdeckt worden”, sagte Guss. “Indem wir diese Organismen finden und die beteiligten Gene entdecken, können wir Mikroben entwerfen, die komplexe Kunststoffabfälle in neue Industriechemikalien umwandeln.

Guss und seine Mitarbeiter isolieren jetzt Bakterien aus Erde, Kompost und anderen Umgebungen, die auf dekonstruierten Kunststoffen wachsen können. Mit einem besseren Verständnis der Zielmikroben und ihrer bestehenden Stoffwechselwege können Guss und seine Mitarbeiter die Effizienz der Organismen beim Verbrauch von Kunststoffen und deren Umwandlung in neue Moleküle steigern. Diese biologischen Prozesse könnten die chemischen Komponenten schaffen, die für die Herstellung der nächsten Generation von leicht zu recycelnden Kunststoffen benötigt werden.

“Obwohl Kunststoffe für das moderne Leben unerlässlich sind, können Kunststoffabfälle derzeit jahrhundertelang in der Biosphäre überleben”, sagte Beckham. “Dringende Maßnahmen auf globaler Ebene werden erforderlich sein, um die steigende Flut von Kunststoffen einzudämmen, die auf Mülldeponien und in die Natur gelangen. Die Überwindung dieser Herausforderungen ist der Kern der Mission von BOTTLE”.

Zu BOTTLE gehören Forscher vom National Renewable Energy Laboratory, ORNL, Argonne National Laboratory, Los Alamos National Laboratory und SLAC National Accelerator Laboratory, der Colorado State University, dem Massachusetts Institute of Technology, der Montana State University, der Northwestern University und der University of Portsmouth.

Die Bemühungen sind ein wichtiger Bestandteil der Plastics Innovation Challenge des DOE, die darauf abzielt, Innovationen in energieeffizienten Kunststoff-Recyclingtechnologien bis 2030 zu beschleunigen. Die Forschung wird vom DOE-Büro für Bioenergietechnologien und vom Büro für fortgeschrittene Produktion innerhalb des Büros für Energieeffizienz und erneuerbare Energien finanziert.

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