Lernen Sie das Startup aus New Haven kennen, das Ihr Plastik verdauen möchte

Michael Magaraci, links, Wissenschaftler der Protein Evolution-Enzymplattform, erklärt seinen Teil des Enzymentwicklungsprozesses mit Brian Mansaku, Mitte, Chefprozessentwickler, und Connor Lynn, Chief Business Officer, im Februar in ihrem New Haven Lab. Das Unternehmen entwickelt maßgeschneiderte Enzyme, um Kunststoffe bis in ihre Molekülbestandteile aufzuspalten und so echtes Recycling zu ermöglichen.

In einem unscheinbaren Backsteingebäude in East Rock versteckt sich ein Startup aus New HavenKampfersetzen Das globale Recyclingsystem. Protein Evolution wurde 2021 gegründet und hat im Stillen eine neue Methode zum Recycling von Kunststoff entwickelt. Man geht davon aus, dass Polyesterstoffe, Teppiche und andere Kunststoffe, die auf überfüllten Mülldeponien landen, irgendwann recycelt werden können. Das Unternehmen gibt an, dass sein Hauptkonkurrent das Recyclingsystem selbst sei.

„Zwei Drittel des Polyesters fließen in Textilien, Ihre Polyester-Shirts, Ihre Laufshorts, diesen Teppich“, sagte Chief Business Officer Connor Lynn und deutete auf den Teppich in den Büros von Protein Evolution. „Die meisten Menschen sind mit dem Recycling von Flaschen vertraut, aber wir hören hier nicht unbedingt auf. ... Wir nutzen die Biologie zum Recycling.“

Das Unternehmen baut und entwickelt maßgeschneiderte Enzyme, um Polyethylen-Kunststoff (PET) und Polyester in ihre Bestandteile zu zerlegen. Diese Kunststoffbestandteile können dann gefiltert und zu völlig neuem Kunststoff synthetisiert werden. Die Produkte der Verdauung sind Ethylenglykol und Terephthalsäure, die Bausteine ​​für neuen Polyester.

„Anstatt Abfall als Material zu betrachten, das im Grunde genommen am Ende seiner Lebensdauer steht“, sagte Lynn, „können wir das Potenzial davon als sehr billigen Rohstoff oder als Quelle für die Herstellung wertvoller Chemikalien erschließen, wie sie beispielsweise für die Herstellung von Polyester verwendet werden.“

Der Prozess verbraucht nur minimale Energie und findet bei Raumtemperatur statt. Wenn es sich skalieren lässt, wäre es eine unglaublich energieeffiziente Möglichkeit des Recyclings.

Ihr Labor ist wie ein Trichter angeordnet. An einem Ende simulieren leistungsstarke Computer mögliche Enzyme und testen sie auf ihre Fähigkeit, Plastik zu zerkauen.

„Wir verwenden Computermethoden wie KI, um die besten Enzyme vorherzusagen“, sagte Brian Mansaku, Leiter der Prozessentwicklung bei Protein Evolution. „Computergestützte Methoden sind wirklich gut darin, die Nadeln im Heuhaufen zu identifizieren.“

Nachdem mögliche Enzyme aus Millionen von Kandidaten eingegrenzt wurden, führt ein Nasslabor eine Reihe von Tests durch, um sie auszusortieren. Im hinteren Teil des Labors züchten Inkubatoren mit gentechnisch veränderten Bakterien die besten Enzyme im großen Maßstab.

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Der große Testreaktor im Laborraum von Protein Evolution, einem Startup für Kunststoffrecycling in New Haven, ist in schwarz gehüllt vor den Fenstern zu sehen. Der Testreaktor zerlegt PET-Kunststoff in seine Monomerbestandteile.

Alttextilien der Modedesignerin Stella McCartney warten im Testlabor von Protein Evolution auf Verdauungstests. Im Erfolgsfall wird Protein Evolution in der Lage sein, neben herkömmlichen Recyclingmaterialien auch Polyesterstoffe zu recyceln.

„Wir nutzen wirklich viele Fortschritte in der synthetischen Biologie“, sagte Mansaku. „Wir entwickeln biologische Einheiten, die Enzyme und die DNA, die sie kodiert.“

An einem Fenster mit Blick auf einen Innenhof aus der Zeit der Industriellen Revolution rührt ein riesiger Enzymreaktor eine Lösung aus Enzymen und PET-Pulver und führt so die Recyclingreaktion als Machbarkeitsnachweis durch. Michael Magaraci, Direktor für Plattformtechnik, sagte, dass die Idee letztendlich darin besteht, genügend Enzyme zu erzeugen, um eine Anlage zur Verarbeitung von 50.000 Kilotonnen Polyester pro Jahr zu bauen.

„Im Reaktor hier kombinieren wir tatsächlich das Enzym mit dem Kunststoff, um es in ein Monomer aufzuspalten“, sagte Margarci und deutete auf eine kühlschrankgroße Flasche mit einem mechanischen Rührstab, der sich darin drehte. „Der Rest der Ausrüstung ist genau das, was wir brauchen, um das Monomer abzutrennen und es wieder in Kunststoff umzuwandeln.“

Es ist wie eine Verdauung. Wenn Sie eine Banane essen, machen sich die Enzyme Ihres Körpers daran, die Proteine ​​und Stärke in Aminosäuren und Einfachzucker aufzuspalten. Man nimmt die großen, komplexen Moleküle und zerlegt sie in Teile. Der Prozess von Protein Evolution zerlegt die langen PET-Ketten in ihre Bestandteile. Diese Monomere können gereinigt und zu Kunststoff rekombiniert werden, der nicht von neu synthetisiertem Kunststoff aus fossilen Brennstoffen zu unterscheiden ist.

„Theoretisch kann man, wenn man eine gute Quelle für Plastik und eine Möglichkeit hat, dies zu tun, Plastik im Grunde wie Rohöl verwenden“, sagte Benjamin Elling, Professor für Chemie und Plastikforscher an der Wesleyan University. Er erklärte, dass die bestehende Infrastruktur der chemischen Industrie bereits sehr gut darin sei, kleine Kohlenstoffketten aufzunehmen und nutzbar zu machen.

Protein Evolution ist ein 2021 gegründetes Startup-Unternehmen aus New Haven. Das Unternehmen entwickelt maßgeschneiderte Enzyme, um Plastik bis in seine Molekülbestandteile aufzuspalten und so echtes Recycling zu ermöglichen. „Es ist Teil einer Kreislaufwirtschaft“, sagte Connor Lynn, Chief Business Officer.

Der meiste Kunststoff wird nicht recycelt. Viele Dinge, die in Single-Stream-Recyclingbehälter gelangen – darunter Spielzeug, Plastikfolien, Tüten und Stoffe – landen auf einer Mülldeponie. Ein Großteil davon verfängt sich in den Recyclingmaschinen und erzwingt Abschaltungen, um die Geräte zu entwirren.

„Im Moment ist Kunststoffrecycling nicht kreislauforientiert“, sagte Kim O'Rourke, Recyclingkoordinatorin für Middletown. Sie erklärte, dass das meiste Recycling, wenn überhaupt, nur einmal erfolgt. „Ihr Plastikbehälter wird mechanisch zerlegt … in ein T-Shirt, einen Teppich oder eine Füllung für einen Schlafsack verwandelt und landet danach im Müll.“

Normales Recycling wird genauer gesagt Downcycling genannt. Wenn recycelbarer Kunststoff geschreddert und zur Wiederverwendung eingeschmolzen wird, werden die Molekülketten, aus denen Kunststoff besteht, abgebaut. Um ein nützliches Produkt zu sein, wird Neukunststoff häufig recyceltem Kunststoff beigemischt, um ihn zu verstärken. Aus diesem Grund wird auf Produkten häufig mit dem Anteil an recyceltem Material geworben.

Der normale Recyclingprozess ist oft kostspielig und unvollständig. Tatsächlich wird nur sehr wenig Kunststoff aus Single-Stream-Quellen recycelt. In den letzten 40 Jahren wurden weniger als 10 Prozent des produzierten Kunststoffs recycelt. Laut einer Analyse von Beyond Plastics, einer Forschungsgruppe mit Sitz am Bennington College in Vermont, ist diese Quote in den letzten Jahren auf 5 Prozent gesunken.

„Kunststoffe durchlaufen einen Sortierprozess, werden zu einem Kunststoffrecycler transportiert, dann zerkleinert, zu Pellets verarbeitet und in ein neues Produkt umgewandelt“, sagte O'Rourke. Sie erklärte, dass dies nur für Flaschen und große Lebensmittelbehälter aus Kunststoff der Fall sei. Andere Behälter aus Kunststoff oder gemischten Materialien werden aufgrund von Sortier- und Größenproblemen normalerweise nicht recycelt.

Laut einer NPR-Untersuchung hatte die Kunststoffindustrie in den 1980er Jahren „ernsthafte Zweifel“, dass Recycling jemals funktionieren würde, gab aber Millionen von Dollar aus, um das Recycling in einer konzertierten Greenwashing-Kampagne zu fördern.

„Wir sind ehrlich gesagt nicht in einer guten Lage“, sagte Elling. „Weltweit produzieren wir jedes Jahr 380 Millionen Tonnen Plastik, und 75 Prozent davon landen auf einer Mülldeponie in den Vereinigten Staaten. Ein großer Teil davon wird verbrannt.“

Ein wesentlicher Teil des Problems besteht darin, dass die Kunststoffe, die in den Recyclingstrom gelangen, von relativ hoher Reinheit und Qualität sein müssen. Aus diesem Grund sind Behälter wie auch Flaschen die am häufigsten recycelten Produkte. Flaschen bestehen aus hochreinem, einheitlichem Kunststoff. Flaschen lassen sich auch leicht zerlegen und in schmelzbare Bruchstücke zerkleinern.

„Es ist schwierig, sauberes Material zu bekommen“, sagte O'Rourke. „Beim Single-Stream-Recycling wird das gesamte Recycling zusammengeführt … die Leute wissen also nicht, wie die Regeln lauten, und Kunststoffe sind besonders verwirrend, also recyceln die Leute zu viel.“

Stoffe, Fasern, Folien, Verpackungen und Teppiche bleiben in den Maschinen hängen und können nicht zerlegt werden. Minderwertige Kunststoffe, schmutzige Kunststoffe oder Kunststoffe, die in der Umwelt zurückgelassen wurden, sind oft zu minderwertig, um abgebaut zu werden. Beim Abbau werden sie zu Mikroplastik.

Wenn es Protein Evolution gelingt, das enzymbasierte Kunststoffrecycling auszuweiten, können viele dieser Probleme umgangen werden. Da es keinen Schmelzprozess gibt, können verschiedene Arten von Produkten zur Verdauung in den Enzymreaktor gegeben werden. Das bedeutet, dass Polyestergewebe und -folien recycelbar werden könnten. Kleine Behälter könnten verdaut werden – sogar einige gemischte Materialien.

„Man kann ein neues Patagonia-Fleece wirklich nicht erhitzen und es wieder in eine Flasche verwandeln“, sagte Elling. „Der Vorteil von so etwas besteht darin, dass es in kleine Moleküle zerlegt werden könnte, die theoretisch von anderen, unverdaulichen Bestandteilen getrennt werden könnten.“

Das Unternehmen hat sich mit der High-Fashion-Marke Stella McCartney zusammengetan, um ein Verfahren zum Recycling von Polyesterstoffen und -teppichen zu entwickeln. In Fässern aufgerollt warten Muster einer aktuellen Designlinie auf die Erprobung. Stella McCartney ist eine der ersten Investoren von Protein Evolution.

„Das sind tatsächlich Lagermaterialien aus ihrer Produktionslinie“, sagte Lynn. „Sonst würden sie in einer Verbrennungsanlage oder auf einer Mülldeponie landen.“

Ein enzymbasiertes Verfahren könnte auch Behälterkunststoff von geringerer Qualität akzeptieren als herkömmliche Methoden. Enzyme reagieren nur auf bestimmte Ziele, sodass alles, was sie nicht abbauen können, während des Reinigungsprozesses herausgefiltert wird. Dies würde die Sortierkosten drastisch senken und das Recycling insgesamt erschwinglicher machen.

Protein Evolution konzentriert sich derzeit nur auf PET- und Polyester-Kunststoffe. Aufgrund seiner Molekularstruktur ist PET der am einfachsten zu recycelnde Kunststoff und gehört zu den am häufigsten im Umlauf befindlichen Kunststoffen. Lynn erklärte, dass sie für jeden Kunststoff, wie Nylon, Elasthan (Spandex) oder andere Arten von Polyester, neue Enzyme entwickeln müssten.

„Was das jetzt aussieht, ist ein Ein-Enzym-System“, sagte Lynn. „Wenn wir uns komplexeren Materialien zuwenden, können Sie sich einen Cocktail vorstellen, ein Multi-Enzym-System.“

Bei einigen höherwertigen Kunststoffen könnte dies schwieriger sein. Viele Kunststoffe wie Styropor, Vinyl und Acrylkunststoffe haben ein nicht so leicht abbaubares chemisches Rückgrat. Im Gegensatz zu Polyestern, die durch eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung gebunden sind, bestehen andere Polymere aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Ketten, die sehr stark sind.

„Unser Körper bildet ständig Kohlenstoffbindungen. Wir haben Enzyme, die das tun, aber es ist ein energieintensiver Prozess“, sagte Elling. „Um in die umgekehrte Richtung zu gehen, muss man mehr Energie einbringen, oder man braucht einen wirklich guten Katalysator, der die Energiebarriere senkt.“

Aber das alles ist ein weit entferntes Problem. Derzeit konzentriert sich Protein Evolution auf die Skalierung. Lynn hofft, dass sie noch vor Ende 2025 über eine groß angelegte Demonstrationsanlage verfügen können.

„Wir haben enorme Fortschritte gemacht“, sagte Lynn. „Wir erzeugen echtes Monomer, das zur Herstellung von neuem Kunststoff verschickt wird. Von da an kommt es nur noch auf die Größe an.“