Reciclarea enzimatică a PET a îmbrăcămintei și a covoarelor reduce pretratarea sau este mai ieftină decât producția de petrol- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Cercetător principal la National Renewable Energy Laboratory (NREL) din Statele Unite Realitatea este că majoritatea produselor PET, în special îmbrăcămintea și covoarele PET, nu sunt reciclate folosind tehnici tradiționale de reciclare astăzi. Comunitatea de cercetare dezvoltă alternative promițătoare, inclusiv enzime care vizează depolimerizarea PET-ului, dar chiar și aceste alegeri se bazează adesea pe consumul ridicat de energie și pe pașii de pretratare cu costuri ridicate pentru a fi eficiente.

Cercetătorii Jaffes Gardo (stânga), Erica Erickson (dreapta) și colegii săi au descoperit și caracterizat enzimele care degradează PET-ul cristalin, un plastic folosit în sticle de băuturi de unică folosință, covoare, îmbrăcăminte și ambalaje pentru alimente.

Prin urmare, cea mai mare parte a PET-ului produs astăzi intră în cele din urmă în depozitele de gunoi sau în mediu - chiar și produsele PET care intră efectiv în stațiile de reciclare.

Cu toate acestea, Beckham a spus că lucrurile se schimbă rapid, iar metodele avansate în învățarea automată și biologia sintetică au oferit oamenilor de știință o înțelegere fără precedent a biologiei fundamentale a enzimelor deconstructive PET. Recent, Beckham și colegii săi de la Universitatea din Portsmouth și Universitatea de Stat din Montana au folosit aceste metode pentru a descoperi noi variante de enzime, care se așteaptă să deconstruiască cel mai dificil PET fără un pre-tratament suplimentar.

Acest lucru nu înseamnă doar că suntem în fruntea reciclării enzimelor pentru toate formele de PET, inclusiv covoare și îmbrăcăminte - înseamnă, de asemenea, că reciclarea PET-ului ar putea fi în curând mai ieftină decât fabricarea PET-ului de la zero cu ulei.

— 1 —

Enzime ascunse în sol

Conceptul de recuperare a enzimelor din PET este cunoscut din 2005, dar după ce oamenii de știință japonezi au făcut descoperiri uimitoare, acesta și-a făcut debutul pe scena mondială în 2016. Îngropat în sol în fața unei unități de reciclare din Japonia, o enzimă pe care o numesc în liniște Ideonella sakaiensis. secretă pentru a sparge sticlele vechi din plastic pentru băuturi.

Natura oferă o soluție excelentă pentru ruperea legăturilor chimice ale PET. Din anumite motive, natura demonstrează cum să reducă sticlele PET la componentele lor de bază: acid tereftalic și etilenglicol.

Au urmat o serie de studii. Oamenii de știință încearcă să îmbunătățească enzimele utilizate în tehnologia industrială pentru a procesa milioane de tone de PET produs anual. Ei presupun că, dacă este îmbunătățită, platforma de reciclare a enzimelor poate schimba complet sistemele de reciclare actuale care nu au performanțe reduse, poate reduce emisiile de energie și de gaze cu efect de seră și poate promova o economie circulară pentru toate produsele PET - chiar și covoarele și țesăturile care nu pot fi reciclate folosind tehnologiile tradiționale.

Pe măsură ce cercetătorii realizează potențialul utilizării enzimelor pentru a descompune plasticul, noi lucrări din întreaga lume au luminat literatura științifică”, a declarat John McGeehan, om de știință la echipa Universității din Portsmouth (UoP) din Marea Britanie. Experți din diferite domenii precum deoarece produsele farmaceutice și biocombustibilii pot reutiliza zeci de ani de experiență în cercetare pentru a modifica enzimele

Platforma de recuperare a enzimelor a companiei NREL/UoP descompune efectiv materia primă din plastic PET (stânga) în unitățile sale structurale chimice. Proba de PET din dreapta a scăzut în masă cu 97,7% după ce a fost hidrolizată de enzimele companiei NREL/UoP.

De fapt, într-o serie de lucrări frecvent citate publicate între 2018 și 2021, Beckham, McGihan și colegii lor au caracterizat enzimele care le-au sporit eficiența cu un factor de șase și au analizat impactul asupra mediului și economic al reciclării PET la scară industrială. Lucrarea corespunzătoare din 2022 evaluează impactul ciclului de viață asupra viitoarelor sisteme enzimatice de recuperare a PET.

Aceste studii au dat rezultate remarcabile. Procesând PET într-un bioreactor timp de 48 de ore, ei au arătat că este posibil să se transforme aproape 98 la sută din plastic în acid tereftalic și etilen glicol - materiale de construcție reciclate de înaltă calitate utilizate pentru a face noi sticle PET și chiar materiale plastice avansate care sunt mai usor de reciclat.

„A lucra într-un domeniu care crește atât de rapid este o experiență incredibilă”, a adăugat McGihan. „Ajungem la un punct în care știința colaborativă are un potențial extraordinar de a accelera dezvoltarea și lansarea pe scară largă a soluțiilor bazate pe enzime”.

În ciuda progreselor rapide, o barieră cheie în calea reciclării enzimelor la scară industrială se profilează.

Această enzimă este eficientă numai împotriva unui mic procent de produse PET - cele fabricate din PET „amorf”. Fără să le înmoaie mai întâi cu temperaturi ridicate și energie suplimentară, au lucrat din greu pentru a deconstrui soiurile foarte comune și durabile de „cristale” PET. PET-ul cristalin reprezintă aproape 90% din toate produsele PET, inclusiv fibrele de poliester din îmbrăcăminte și unele sticle de băuturi de unică folosință.

Oamenii de știință au nevoie de enzime care sunt mai bune în descompunerea PET-ului cristalin și sperăm că vor putea găsi alte enzime care mănâncă plastic care se ascund în murdărie.

— 2 —

Utilizați învățarea automată pentru a „exploa” noi enzime

Din fericire, echipa nu are nevoie de o lopată pentru a extrage noi soiuri de enzime, iar progresele în bioinformatică și învățarea automată au făcut posibilă căutarea diferitelor enzime active pe PET cristalin într-o bază de date vastă de secvențe de enzime existente.

„Metodele tradiționale de a găsi noi enzime care mănâncă plastic din bazele de date pot fi ineficiente, deoarece enzimele care sunt foarte asemănătoare ca compoziție chimică nu păstrează neapărat activitatea de destructurare a plasticului”, a spus om de știință NREL, Japhaus Gado.

Pentru a face față acestei provocări, Gado a construit un model statistic pentru a învăța regulile biologice ale enzimelor cunoscute de descompunere a plasticului. Modelul atribuie probabilități compoziției unice a enzimelor studiate până acum. Gado a construit, de asemenea, un model de învățare automată pentru a prezice toleranța la căldură a enzimelor, ceea ce este important pentru aplicațiile industriale.

Redarea 3D a DeepMind a dezvăluit caracteristici structurale neașteptate, cum ar fi enzima 611 din figură. Analiza atentă a semnăturilor structurale ale proteinelor precum enzima 611 ar putea ajuta echipa să-și îmbunătățească performanța.

Împreună, aceste două modele computaționale îi permit lui Gado și colegilor săi să proiecteze într-un teritoriu neexplorat. În mai puțin de o oră, au analizat peste 2 milioane de proteine, creând o listă scurtă de candidați promițători. Teste ulterioare au confirmat că 5 au fost capabili să deconstruiască PET, 36 care nu au fost descrise anterior în literatura științifică.

Important este că unii sunt chiar mai buni la descompunerea PET-ului cristalin decât PET-ul amorf.

„Aceste enzime noi nu sunt doar diverse din punct de vedere genetic”, explică Gado. „Au structuri diferite și geometrii diferite ale centrelor active”.

Gado poate vorbi cu încredere despre structura celor 24 de enzime noi pentru că le-a văzut așa cum arată - cel puțin în redările 3D oferite de cercetătorii de la DeepMind, o subsidiară Alphabet. Cunoscut pentru cartografierea „universului întreg al proteinelor”, DeepMind a caracterizat aceste enzime cu instrumentul său de învățare profundă, AlphaFold, astfel încât echipa să poată compara enzimele una lângă alta și să observe diferențele lor.

Toate instrumentele au capacitatea de a deconstrui PET, dar există câteva care arată izbitor de diferite. Potrivit lui Gado, redările lui DeepMind oferă indicii valoroase cu privire la modul în care deconstructazele plastice acționează asupra PET.

„Metodele AI de ultimă generație ne ajută să găsim modele în datele enzimelor, ceea ce ne va îmbunătăți înțelegerea a ceea ce face enzimele comestibile din plastic bune”, a adăugat Gado. „Acest lucru ne va permite să îmbunătățim enzimele cu ingineria proteinelor și să găsim alte enzime în natură care funcționează similar.”

Acesta este un alt pas înainte pentru o echipă de cercetare deja prolifică și un alt pas către reciclarea pe scară largă a PET-ului.

— 3 —

Mai ieftin și mai ecologic

Analiza a cuantificat avantajele recuperării PET enzimatic

Potrivit lui Beckham, curățarea, mărunțirea și încălzirea – pașii necesari pentru pregătirea pentru descompunerea PET – sunt printre cei mai importanți factori de sustenabilitate pentru instalațiile de reciclare a enzimelor la scară industrială.

„Minimizarea acestor pași de pretratare este esențială pentru a face costurile de recuperare a enzimelor competitive în comparație cu producerea rășinii PET din petrol”, explică el.

Oamenii de știință de la Universitatea NREL și UoP au dezvoltat o platformă enzimatică rentabilă, prietenoasă cu mediul, care poate descompune rapid PET-ul post-consum în blocuri chimice identice, acid tereftalic (TPA) și etilen glicol (EG).

În experimentele ulterioare, echipa a observat că unele enzime etichetate prin metoda lor de învățare automată au fost la fel de eficiente în descompunerea PET-ului cristalin și amorf. Aceste enzime nu necesită deloc pretratare pentru a ajuta la înmuierea legăturii materialelor plastice.

„Prin eliminarea pretratării, tehnologia permite reciclarea PET-ului la scară industrială, care este de fapt mai ieftină decât utilizarea petrolului pentru a produce PET virgin”, a adăugat el Beckham. „Și mai bine, poate reduce energia asociată și emisiile de gaze cu efect de seră”.

Într-un articol anterior publicat în Joule, în 2021, echipa a cuantificat avantajele economice și de mediu ale utilizării enzimelor active pe PET cristalin. În instalațiile la scară industrială, acest lucru poate reduce cererea de energie din lanțul de aprovizionare cu 45% și emisiile de gaze cu efect de seră pe ciclul de viață cu 38%, comparativ cu sistemele care utilizează pretratare.

Avantajele economice sunt la fel de impresionante. Atunci când se aruncă covorul PET și îmbrăcămintea - care nu pot fi reciclate cu tehnici convenționale - pot produce și acid tereftalic pentru mai puțin de 1 USD per kilogram. Acidul tereftalic derivat din petrol a fost vândut în trecut cu 1 USD până la 1,50 USD per kilogram.

„Platforma noastră de enzime creează un stimulent economic pentru a ne curăța oceanele”, a spus Erika Erickson, fost cercetător postdoctoral NREL, care a efectuat o mare parte din munca experimentală din spatele acestor studii. „La astfel de puncte de preț, contaminarea cu PET poate fi reciclată în mod accesibil în noi produse PET sau poate găsi noi utilizări în palele turbinelor eoliene sau barele de protecție din fibră de carbon”.

Produsele PET post-consum, adesea sursa actuală de poluare, pot fi transformate în resurse valoroase pentru a susține o economie a materialelor plastice mai sustenabilă din punct de vedere ecologic.

Nu este greu de imaginat cum ar schimba acest lucru povestea despre plastic: costurile de reciclare a PET-ului sunt atât de mici încât economia favorizează aruncarea lui la coșul de reciclare, mai degrabă decât la gunoi. Un tricou, un covor, o sticlă de sifon – totul este pus și, ca element de construcție, își încep călătoria circulară pentru a crea o lume mai curată și mai verde.

Acțiune: