| dc.description.abstract | Plast har blitt etablert som utmerkede materialer med mange bruksområder. Mange plasttyper er hardføre, lette, billige og har barriereegenskaper. Den utbredte tilstedeværelsen av plast, sammen med utilstrekkelige avfallsbehandlingsmetoder, har ført til opphopning av plast i miljøet, noe som kan true spesielt marine økosystemer. I tillegg er de fleste plasttyper laget fra ikke-bærekraftige petrokjemiske kilder, derfor er gjenvinning av plast en nødvendig prosess.
Poly (etylentereftalat) (PET) er en polyesterplast som finnes i drikkeflasker, emballasje, og klær. I dag blir bare gjennomsiktig, ren PET resirkulert på hovedsakelig termomekaniske måter, noe som er assosiert med et kvalitetstap for hver syklus. Denne «nedsirkuleringen» av ikke-bærekraftig produsert PET er et problem som må løses.
I denne masteroppgaven ble det konseptualisert en hypotetisk enzymatisk nedbrytningsprosess der PET-avfall brytes ned til monomerene sine og resyntetiseres for å ha samme kvalitet som såkalt jomfru-PET. Det overordnede målet med oppgaven var å bruke karbohydrater for å forbedre denne prosessen.
En åpen syklus-prosess ble foreslått, der en del av strømmen av nedbrytningsprodukter kan brukes til å syntetisere mer verdifulle produkter enn ny PET, såkalt «oppsirkulering». Oppsirkuleringen som ble undersøkt i denne oppgaven var å bruke karbohydrater, spesielt glukaner og tereftalsyre (TPA), en av monomerene i PET, for å lage et nytt materiale med potensielt interessante egenskaper for ulike applikasjoner.
Glukose og cellopentaose ble brukt som modellkarbohydrater for å få innsikt i gjennomførbarheten av den ønskede reaksjonen, der p-Toluenesulfonylklorid (TsCl) ble brukt som en aktivator av den primære hydroksylgruppen i glukanene, og som en in situ-aktivator av TPA. Ingen klare bevis på tereftalering ble sett for glukose, cellopentaose, cellulose eller β-syklodekstrin ved bruk av NMR-spektroskopi og FTIR-spektroskopi. Til tross for dette ble ikke eksistensen av glukan-tereftalatesterene motbevist, og ytterligere innsats bør gjøres for å muliggjøre oppsirkulering av PET-nedbrytningsprodukter, muligens ved å bruke karbohydrater.
En av flaskehalsene ved enzymatisk nedbrytning av PET er lav hastighet, som ble adressert i denne oppgaven ved å bruke karbohydratgruppen syklodekstriner. Inklusjonskompleksdannelse av α- og β-syklodekstrin med TPA ble bestemt, før effekten av syklodekstrinene på nedbrytningshastigheten til et PET-hydrolyserende enzym, Fusarium solani pisi cutinase (FsC), ble undersøkt. Den enzymatiske nedbrytningen av PET ble overvåket med tidsoppløst 1H-NMR.
Tilsynelatende nedbrytningshastigheter for hovednedbrytningsproduktet, MHET, ble doblet med syklodekstrinene til stede. De to ulike syklodekstrinene påvirket nedbrytningen av PET forskjellig, noe som resulterte i forskjellige produktfordelinger. Tilstedeværelsen av den mindre α-syklodekstrin ga høyere konsentrasjon enn kontrolleksperimentet for det minste av de aromatiske nedbrytningsproduktene, TPA. Den større β-syklodekstrins tilstedeværelse fremmet produksjonen av større nedbrytningsprodukter og hadde høyest konsentrasjon av BHET av de tre eksperimentene. I tillegg ble uidentifiserte 1H-NMR-signaler observert da β-syklodekstrin var til stede ved 8,05 til 8,13 ppm og kan muligens stamme fra løselige PET-oligomerer.
Resultatene presentert i denne oppgaven kan kanskje ikke bidra vesentlig til den offentlige introduksjonen av enzymatisk resirkulering av PET. Likevel ble noen grunnleggende ideer utforsket i denne oppgaven når det gjelder utnyttelse av karbohydrater for å fremme oppsirkulering av plastavfallsnedbrytningsprodukter, og for å redusere produktinhibering for FsC for den generelle forbedringen av en hypotetisk enzymatisk PET-nedbrytningprosess. | |
| dc.description.abstract | Plastics have been established as excellent materials for numerous applications. Many plastics are tough, lightweight, cheap, and have barrier properties. The ubiquitous presence of plastics, along with insufficient disposal methods have led to the accumulation of plastics in the environment, especially threatening marine ecosystems. In addition, most plastics are made from non-sustainable petrochemical sources, and because of this, recycling is a necessary process.
Poly (ethylene terephthalate) (PET) is a polyester plastic found in beverage containers, packaging, and clothing. Today, only clear, clean PET is recycled in mostly thermomechanical ways, which is associated with a quality loss for each cycle. This downcycling of the non-sustainably produced PET is a problem that needs solving. In this master’s thesis, a hypothetical enzymatic degradation process was envisioned, where end-of-life PET is degraded to its monomers, and resynthesized to have the same quality as virgin PET. The overarching aim of the thesis was to use carbohydrates to improve this process.
An open loop process was suggested, where part of the stream of degradation products can be used to synthesize more valuable products in an upcycling manner. The upcycling explored in this thesis was to use carbohydrates, specifically glucans, and terephthalic acid (TPA), one of the monomers of PET to make a novel material with potentially interesting properties for various applications.
The cellulose terephthalate (CTP) ester hypothesized in the thesis could have some interesting properties that make it an attractive polymer, for example film forming capabilities. In addition, a β-cyclodextrin terephthalate ester was envisioned, where the terephthalate residue could perhaps introduce pH tuned complexation.
Glucose and cellopentaose were used as model carbohydrates to gain insight on the feasibility of the desired reaction, where p-Toluenesulfonyl chloride (TsCl) was used as an activator of the primary hydroxyl group in the glucans, and as an in situ activator of TPA. No clear evidence of terephthalation was seen for glucose, cellopentaose, cellulose, or β-cyclodextrin (CD) using NMR spectroscopy and FTIR spectroscopy. Despite this, the existence of the glucan terephthalate esters were not disproved, and further efforts should be made to enable upcycling of PET degradation products, possibly by using carbohydrates.
One of the bottlenecks of enzymatic degradation of PET is low rate, which was addressed by using the carbohydrate group cyclodextrins (CDs). Complexation of α-CD and β-CD with TPA was determined before the effect of the cyclodextrins on the degradation rate of a PET hydrolyzing enzyme, Fusarium solani pisi cutinase (FsC), was investigated. The enzymatic degradation of PET was monitored with time-resolved 1H-NMR.
Apparent degradation rates for the main degradation product, MHET, was doubled with either of the CDs present. Another finding was that the two cyclodextrins affected the product distribution differently. Presence of the smaller α-CD gave higher concentration than the control experiment for the smallest of the aromatic degradation products, TPA. The larger β-CD’s presence favored the production of larger degradation products, and had the highest concentration of BHET of the three experiments. In addition, unidentified 1H-NMR peaks were observed when β-CD was present at 8.05 to 8.13 ppm, and could possibly originate from soluble PET oligomers.
The results presented in this thesis may not contribute significantly towards the public introduction of enzymatic recycling of PET. Nevertheless, this thesis explored some basic ideas for the utilization of carbohydrates to promote upcycling of plastic waste degradation products, and by reducing product inhibition for the FsC for the overall improvement of a hypothetical enzymatic degradation of PET process. | |
