Enzymatická PET recyklácia odevov a kobercov znižuje predúpravu alebo je lacnejšia ako výroba ropy- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Vedúci výskumník v Národnom laboratóriu pre obnoviteľnú energiu (NREL) v Spojených štátoch Realita je taká, že väčšina PET produktov, najmä PET odevov a kobercov, sa dnes nerecykluje pomocou tradičných recyklačných techník. Výskumná komunita vyvíja sľubné alternatívy, vrátane enzýmov zameraných na depolymerizáciu PET, ale aj tieto voľby často závisia od vysokej spotreby energie a vysokých nákladov na kroky predúpravy, aby boli účinné.

Výskumníci Jaffes Gardo (vľavo), Erica Erickson (vpravo) a kolegovia objavili a charakterizovali enzýmy, ktoré degradujú kryštalický PET, plast používaný v jednorazových fľašiach na nápoje, kobercoch, odevoch a obaloch potravín.

Väčšina dnes vyrobeného PET sa preto v konečnom dôsledku dostáva na skládky alebo do životného prostredia – dokonca aj výrobky z PET, ktoré sa skutočne dostávajú do recyklačných staníc.

Napriek tomu Beckham povedal, že veci sa rýchlo menia a pokročilé metódy strojového učenia a syntetickej biológie poskytli vedcom bezprecedentné pochopenie základnej biológie dekonštruktívnych enzýmov PET. Nedávno Beckham a jeho kolegovia z University of Portsmouth a Montana State University využili tieto metódy na objavenie nových variantov enzýmov, od ktorých sa očakáva, že dekonštruujú najnáročnejšie PET bez ďalšej predbežnej úpravy.

To nielenže znamená, že sme v popredí recyklácie enzýmov pre všetky formy PET, vrátane kobercov a odevov – znamená to tiež, že recyklácia PET môže byť čoskoro lacnejšia ako výroba PET od nuly s použitím oleja.

— 1 —

Enzýmy skryté v pôde

Koncept obnovy enzýmov v PET je známy od roku 2005, ale po úžasných objavoch japonských vedcov debutoval na svetovej scéne v roku 2016. Enzým, ktorý potichu nazývajú Ideonella sakaiensis, je pochovaný v pôde pred recyklačným zariadením v Japonsku. sekréty na rozbitie rozhádzaných starých plastových fliaš od nápojov.

Príroda poskytuje skvelé riešenie na prerušenie chemických väzieb PET. Príroda z nejakého dôvodu predvádza, ako zredukovať PET fľaše na ich základné zložky: kyselinu tereftalovú a etylénglykol.

Nasledovala séria štúdií. Vedci sa pokúšajú vylepšiť enzýmy používané v priemyselnej technológii na spracovanie miliónov ton PET vyrobených ročne. Predpokladajú, že ak sa zlepší, platforma na recykláciu enzýmov môže úplne zmeniť dnešné nedostatočne výkonné recyklačné systémy, znížiť energiu a emisie skleníkových plynov a podporiť obehové hospodárstvo pre všetky PET produkty – dokonca aj pre koberce a tkaniny, ktoré sa nedajú recyklovať pomocou tradičných technológií.

Keď si výskumníci uvedomili potenciál využitia enzýmov na rozklad plastov, nové články z celého sveta rozžiarili vedeckú literatúru,“ povedal John McGeehan, vedec z tímu University of Portsmouth (UoP) v Spojenom kráľovstve. Odborníci z rôznych oblastí, ako napr. keďže liečivá a biopalivá môžu opätovne využiť desaťročia skúseností z výskumu na modifikáciu enzýmov

Platforma na regeneráciu enzýmov spoločnosti NREL/UoP efektívne rozkladá PET plastovú surovinu (vľavo) na jej chemické štruktúrne jednotky. Vzorka PET vpravo sa po hydrolýze enzýmami od spoločnosti NREL/UoP znížila o 97,7 %.

V skutočnosti v sérii často citovaných prác publikovaných v rokoch 2018 až 2021 Beckham, McGihan a ich kolegovia charakterizovali enzýmy, ktoré zvýšili ich účinnosť o faktor šesť, a analyzovali environmentálne a ekonomické dopady priemyselnej recyklácie PET. Zodpovedajúci dokument z roku 2022 hodnotí vplyv životného cyklu na budúce enzymatické systémy obnovy PET.

Tieto štúdie priniesli pozoruhodné výsledky. Spracovaním PET v bioreaktore počas 48 hodín ukázali, že takmer 98 percent plastov je možné premeniť na kyselinu tereftalovú a etylénglykol – vysokokvalitné recyklované stavebné materiály používané na výrobu nových PET fliaš a dokonca aj pokročilé plasty, ktoré sú ľahšie recyklovať.

„Práca v oblasti, ktorá tak rýchlo rastie, je neuveriteľná skúsenosť,“ dodal McGihan. "Dostávame sa do bodu, keď má kolaboratívna veda obrovský potenciál urýchliť rozsiahly vývoj a zavádzanie riešení na báze enzýmov."

Napriek rýchlemu pokroku sa objavuje kľúčová prekážka recyklácie enzýmov v priemyselnom meradle.

Tento enzým je účinný len proti malému percentu PET produktov – tých, ktoré sú vyrobené z „amorfného“ PET. Bez toho, aby ich najprv zmäkli vysokými teplotami a dodatočnou energiou, tvrdo pracovali na dekonštrukcii veľmi bežných, odolných odrôd PET „kryštálov“. Kryštalický PET tvorí takmer 90 % všetkých PET produktov, vrátane polyesterových vlákien v odevoch a niektorých fľašiach od nápojov na jedno použitie.

Vedci potrebujú enzýmy, ktoré lepšie rozkladajú kryštalický PET, a dúfajme, že nájdu ďalšie enzýmy požierajúce plasty, ktoré sa skrývajú v špine.

— 2 —

Použite strojové učenie na „dolovanie“ nových enzýmov

Našťastie tím nepotrebuje lopatu na ťažbu nových odrôd enzýmov a pokroky v bioinformatike a strojovom učení umožnili hľadať rôzne enzýmy aktívne na kryštalickom PET v rozsiahlej databáze existujúcich sekvencií enzýmov.

"Tradičné metódy hľadania nových enzýmov požierajúcich plasty z databáz môžu byť neúčinné, pretože enzýmy, ktoré sú veľmi podobné v chemickom zložení, si nemusia nevyhnutne zachovať aktivitu deštrukcie plastov," povedal výpočtový vedec NREL Japhaus Gado.

Na riešenie tejto výzvy Gado vytvoril štatistický model, aby sa naučil biologické pravidlá známych enzýmov rozkladu plastov. Model priraďuje pravdepodobnosti jedinečnému zloženiu doteraz študovaných enzýmov. Gado tiež vytvoril podporný model strojového učenia na predpovedanie tepelnej tolerancie enzýmov, čo je dôležité pre priemyselné aplikácie.

3D vykresľovanie DeepMind odhalilo neočakávané štrukturálne vlastnosti, ako napríklad enzým 611 na obrázku. Starostlivá analýza štrukturálnych podpisov proteínov, ako je enzým 611, by mohla pomôcť tímu zlepšiť ich výkon.

Spoločne tieto dva výpočtové modely umožňujú Gadovi a jeho kolegom premietať sa do neprebádaného územia. Za menej ako hodinu preverili viac ako 2 milióny proteínov a vytvorili tak krátky zoznam sľubných kandidátov. Ďalšie testovanie potvrdilo, že 5 bolo schopných dekonštruovať PET, 36 ktoré predtým neboli opísané vo vedeckej literatúre.

Dôležité je, že niektoré sú dokonca lepšie v rozklade kryštalického PET ako amorfného PET.

"Tieto nové enzýmy nie sú len geneticky rôznorodé," vysvetľuje Gado. "Majú rôzne štruktúry a rôzne geometrie aktívnych centier."

Gado môže s istotou hovoriť o štruktúre 24 nových enzýmov, pretože ich videl vyzerať – aspoň v 3D vykresľovaní, ktoré poskytli výskumníci z DeepMind, dcérskej spoločnosti Alphabet. DeepMind, známy pre mapovanie „celého proteínového vesmíru“, charakterizoval tieto enzýmy pomocou nástroja na hlboké učenie AlphaFold, takže tím mohol porovnať enzýmy vedľa seba a všimnúť si ich rozdiely.

Všetky nástroje majú schopnosť dekonštruovať PET, ale existuje niekoľko, ktoré vyzerajú nápadne odlišne. Podľa Gada poskytujú rendery DeepMind cenné vodítka o tom, ako plastové dekonštruktázy pôsobia na PET.

„Najmodernejšie metódy umelej inteligencie nám pomáhajú nájsť vzory v údajoch o enzýmoch, čo zlepší naše chápanie toho, čo robí dobré plastové jedlé enzýmy,“ dodal Gado. "To nám umožní zlepšiť enzýmy pomocou proteínového inžinierstva a nájsť ďalšie enzýmy v prírode, ktoré fungujú podobne."

Toto je ďalší krok vpred pre už aj tak plodný výskumný tím a ďalší krok smerom k rozsiahlej recyklácii PET.

— 3 —

Lacnejšie a ekologickejšie

Analýza kvantifikovala výhody enzymatickej obnovy PET

Podľa Beckhama patrí čistenie, drvenie a zahrievanie – kroky potrebné na prípravu rozkladu PET – medzi najdôležitejšie faktory udržateľnosti zariadení na recykláciu enzýmov v priemyselnom meradle.

„Minimalizácia týchto krokov predúpravy je rozhodujúca pre to, aby boli náklady na regeneráciu enzýmu konkurencieschopné v porovnaní s výrobou PET živice z ropy,“ vysvetľuje.

Vedci z NREL University a UoP vyvinuli nákladovo efektívnu, ekologickú enzymatickú platformu, ktorá dokáže rýchlo rozložiť post-spotrebiteľský PET na identické chemické stavebné bloky, kyselinu tereftalovú (TPA) a etylénglykol (EG).

V nasledujúcich experimentoch si tím všimol, že niektoré enzýmy označené metódou strojového učenia boli rovnako účinné pri rozklade kryštalického a amorfného PET. Tieto enzýmy vôbec nevyžadujú predúpravu, aby pomohli zmäkčiť viazanie plastov.

"Tým, že technológia eliminuje predúpravu, umožňuje priemyselnú recykláciu PET, ktorá je v skutočnosti lacnejšia ako použitie ropy na výrobu čistého PET," dodal Beckham. "Ešte lepšie môže znížiť súvisiace emisie energie a skleníkových plynov."

V skoršom článku publikovanom v Joule v roku 2021 tím kvantifikoval ekonomické a environmentálne výhody používania aktívnych enzýmov na kryštalickom PET. V priemyselných zariadeniach to môže znížiť dopyt po energii dodávateľského reťazca o 45 % a emisie skleníkových plynov počas životného cyklu o 38 % v porovnaní so systémami využívajúcimi predúpravu.

Ekonomické výhody sú rovnako pôsobivé. Pri likvidácii PET kobercov a odevov – ktoré nemožno recyklovať konvenčnými technikami – môžu tiež produkovať kyselinu tereftalovú za menej ako 1 dolár za kilogram. Kyselina tereftalová získaná z ropy sa historicky predávala za 1 až 1,50 dolára za kilogram.

"Naša enzýmová platforma vytvára ekonomický stimul na čistenie našich oceánov," povedala Erika Erickson, bývalá postdoktorandská výskumníčka NREL, ktorá vykonala veľkú časť experimentálnej práce za týmito štúdiami. "Pri takýchto cenových hladinách možno kontamináciu PET za prijateľnú cenu recyklovať do nových PET produktov alebo nájsť nové využitie v lopatkách veterných turbín alebo nárazníkoch z uhlíkových vlákien."

PET produkty, ktoré sú v súčasnosti často zdrojom znečistenia, môžu byť premenené na cenné zdroje na podporu ekologickejšieho hospodárstva plastov.

Nie je ťažké si predstaviť, ako by to zmenilo príbeh o plastoch: náklady na recykláciu PET sú také nízke, že ekonómia uprednostňuje ich vyhadzovanie do recyklačného koša, a nie do odpadu. Tričko, koberček, fľaša sódy – všetko je vložené a ako stavebný kameň začnite svoju okružnú cestu za vytvorením čistejšieho a zelenšieho sveta.

Zdieľam: