Enzymatická PET recyklace oděvů a koberců snižuje předúpravu nebo je levnější než výroba ropy- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Senior Researcher v National Renewable Energy Laboratory (NREL) ve Spojených státech Realita je taková, že většina PET produktů, zejména PET oblečení a koberců, se dnes nerecykluje pomocí tradičních recyklačních technik. Výzkumná komunita vyvíjí slibné alternativy, včetně enzymů zaměřených na depolymeraci PET, ale i tyto volby často spoléhají na vysokou spotřebu energie a vysoké náklady na předúpravu, aby byly účinné.

Výzkumníci Jaffes Gardo (vlevo), Erica Erickson (vpravo) a kolegové objevili a charakterizovali enzymy, které degradují krystalický PET, plast používaný v jednorázových nápojových lahvích, kobercích, oděvech a obalech potravin.

Většina dnes vyrobeného PET se proto nakonec dostává na skládky nebo do životního prostředí – dokonce i výrobky z PET, které se skutečně dostávají do recyklačních stanic.

Nicméně Beckham řekl, že věci se rychle mění a pokročilé metody strojového učení a syntetické biologie poskytly vědcům bezprecedentní pochopení základní biologie PET dekonstruktivních enzymů. Nedávno Beckham a jeho kolegové z University of Portsmouth a Montana State University využili tyto metody k objevení nových enzymových variant, od kterých se očekává, že dekonstruují nejnáročnější PET bez další předběžné úpravy.

To nejen znamená, že jsme v popředí recyklace enzymů pro všechny formy PET, včetně koberců a oděvů, ale také to znamená, že recyklace PET může být brzy levnější než výroba PET od nuly s olejem.

— 1 —

Enzymy skryté v půdě

Koncept obnovy enzymů v PET je znám od roku 2005, ale poté, co japonští vědci učinili ohromující objevy, debutoval na světové scéně v roce 2016. Enzym, který tiše nazývají Ideonella sakaiensis, je pohřben v půdě před recyklačním zařízením v Japonsku. sekrety k rozbití rozházených starých plastových lahví od nápojů.

Příroda poskytuje skvělé řešení pro přerušení chemických vazeb PET. Z nějakého důvodu příroda předvádí, jak zredukovat PET lahve na jejich základní složky: kyselinu tereftalovou a etylenglykol.

Následovala řada studií. Vědci se pokoušejí vylepšit enzymy používané v průmyslové technologii ke zpracování milionů tun PET vyrobeného ročně. Předpokládají, že pokud bude platforma pro recyklaci enzymů zlepšena, může zcela změnit dnešní nedostatečně fungující recyklační systémy, snížit energii a emise skleníkových plynů a podpořit oběhové hospodářství pro všechny PET produkty – dokonce i pro koberce a tkaniny, které nelze recyklovat pomocí tradičních technologií.

Jak si výzkumníci uvědomují potenciál využití enzymů k rozkladu plastů, nové články z celého světa rozzářily vědeckou literaturu,“ řekl John McGeehan, vědec z týmu University of Portsmouth (UoP) ve Spojeném království. Odborníci z různých oborů, jako je např. protože léčiva a biopaliva mohou znovu využít desítky let zkušeností z výzkumu k úpravě enzymů

Platforma pro obnovu enzymů společnosti NREL/UoP efektivně rozkládá PET plastovou surovinu (vlevo) na její chemické strukturní jednotky. Vzorek PET vpravo se po hydrolýze enzymy od firmy NREL/UoP snížil na hmotnosti o 97,7 %.

Ve skutečnosti v sérii často citovaných prací publikovaných v letech 2018 až 2021 Beckham, McGihan a jejich kolegové charakterizovali enzymy, které zvýšily jejich účinnost o faktor šest, a analyzovali environmentální a ekonomické dopady průmyslové recyklace PET. Odpovídající dokument z roku 2022 hodnotí dopad životního cyklu na budoucí systémy enzymatické obnovy PET.

Tyto studie přinesly pozoruhodné výsledky. Zpracováním PET v bioreaktoru po dobu 48 hodin prokázali, že je možné přeměnit téměř 98 procent plastu na kyselinu tereftalovou a etylenglykol – vysoce kvalitní recyklované stavební materiály používané k výrobě nových PET lahví a dokonce i pokročilé plasty, které jsou snadněji recyklovatelné.

"Práce v oboru, který tak rychle roste, je neuvěřitelná zkušenost," dodal McGihan. "Dostáváme se do bodu, kdy má kolaborativní věda obrovský potenciál urychlit rozsáhlý vývoj a zavádění řešení na bázi enzymů."

Navzdory rychlému pokroku se objevuje klíčová překážka recyklace enzymů v průmyslovém měřítku.

Tento enzym je účinný pouze proti malému procentu PET produktů – produktů vyrobených z „amorfního“ PET. Aniž by je nejprve změkčili vysokými teplotami a dodatečnou energií, tvrdě pracovali na dekonstrukci velmi běžných, odolných druhů PET „krystalů“. Krystalický PET tvoří téměř 90 % všech PET produktů, včetně polyesterových vláken v oděvech a některých nápojových lahvích na jedno použití.

Vědci potřebují enzymy, které lépe rozkládají krystalický PET, a doufejme, že najdou další enzymy požírající plasty skrývající se v nečistotě.

— 2 —

Použijte strojové učení k „dolování“ nových enzymů

Naštěstí tým nepotřebuje lopatu k těžbě nových odrůd enzymů a pokroky v bioinformatice a strojovém učení umožnily hledat různé enzymy aktivní na krystalické PET v rozsáhlé databázi existujících sekvencí enzymů.

"Tradiční metody hledání nových enzymů požírající plasty z databází mohou být neúčinné, protože enzymy, které jsou svým chemickým složením velmi podobné, si nutně nezachovají aktivitu ničení plastů," řekl výpočetní vědec NREL Japhaus Gado.

Aby se vypořádal s touto výzvou, Gado vytvořil statistický model, aby se naučil biologická pravidla známých enzymů rozkladu plastů. Model přiřazuje pravděpodobnosti jedinečnému složení dosud studovaných enzymů. Gado také vytvořil podpůrný model strojového učení pro předpovídání tepelné tolerance enzymů, což je důležité pro průmyslové aplikace.

3D vykreslování DeepMind odhalilo neočekávané strukturální rysy, jako je enzym 611 na obrázku. Pečlivá analýza strukturních podpisů proteinů, jako je enzym 611, by mohla týmu pomoci zlepšit jejich výkon.

Společně tyto dva výpočetní modely umožňují Gadovi a jeho kolegům promítat se do neprobádaného území. Za méně než hodinu prozkoumali více než 2 miliony proteinů a vytvořili tak krátký seznam nadějných kandidátů. Další testování potvrdilo, že 5 byly schopny dekonstruovat PET, 36 které nebyly dříve popsány ve vědecké literatuře.

Důležité je, že některé jsou v rozkladu krystalického PET dokonce lepší než amorfní PET.

"Tyto nové enzymy jsou nejen geneticky rozmanité," vysvětluje Gado. "Mají různé struktury a různé geometrie aktivních center."

Gado může sebevědomě mluvit o struktuře 24 nových enzymů, protože je viděl vypadat – alespoň ve 3D vykreslování poskytnutých výzkumníky z DeepMind, dceřiné společnosti Alphabet. DeepMind, známý pro mapování „celého proteinového vesmíru“, charakterizoval tyto enzymy svým nástrojem pro hluboké učení AlphaFold, takže tým mohl porovnat enzymy vedle sebe a povšimnout si jejich rozdílů.

Všechny nástroje mají schopnost dekonstruovat PET, ale existuje několik, které vypadají nápadně odlišně. Podle Gada poskytují rendery DeepMind cenná vodítka k tomu, jak plastové dekonstruktázy působí na PET.

"Nejmodernější metody umělé inteligence nám pomáhají najít vzory v datech enzymů, což zlepší naše chápání toho, co dělá dobré plastové jedlé enzymy," dodal Gado. "To nám umožní zlepšit enzymy pomocí proteinového inženýrství a najít další enzymy v přírodě, které fungují podobně."

To je další krok vpřed pro již tak plodný výzkumný tým a další krok k recyklaci PET ve velkém měřítku.

— 3 —

Levnější a šetrnější k životnímu prostředí

Analýza kvantifikovala výhody enzymatické regenerace PET

Podle Beckhama patří čištění, drcení a ohřev – kroky potřebné k přípravě rozkladu PET – mezi nejdůležitější hnací síly udržitelnosti zařízení na recyklaci enzymů v průmyslovém měřítku.

„Minimalizace těchto kroků předúpravy je zásadní pro to, aby byly náklady na obnovu enzymu konkurenceschopné ve srovnání s výrobou PET pryskyřice z ropy,“ vysvětluje.

Vědci z NREL University a UoP vyvinuli nákladově efektivní, ekologicky šetrnou enzymatickou platformu, která dokáže rychle rozložit spotřebitelský PET na identické chemické stavební bloky, kyselinu tereftalovou (TPA) a ethylenglykol (EG).

V následujících experimentech si tým všiml, že některé enzymy označené jejich metodou strojového učení byly stejně účinné při rozkladu krystalického a amorfního PET. Tyto enzymy vůbec nevyžadují předúpravu, aby pomohly změkčit vazbu plastů.

"Tím, že tato technologie eliminuje předúpravu, umožňuje recyklaci PET v průmyslovém měřítku, která je ve skutečnosti levnější než použití ropy k výrobě čistého PET," řekl Beckham. "Ještě lépe může snížit související energii a emise skleníkových plynů."

V dřívějším článku publikovaném v Joule v roce 2021 tým kvantifikoval ekonomické a environmentální výhody používání aktivních enzymů na krystalickém PET. V průmyslových zařízeních to může snížit spotřebu energie v dodavatelském řetězci o 45 % a emise skleníkových plynů během životního cyklu o 38 % ve srovnání se systémy využívajícími předúpravu.

Ekonomické výhody jsou stejně působivé. Při likvidaci PET koberců a oděvů – které nelze recyklovat běžnými technikami – mohou také produkovat kyselinu tereftalovou za méně než 1 dolar za kilogram. Kyselina tereftalová z ropy se historicky prodávala za 1 až 1,50 dolaru za kilogram.

"Naše enzymová platforma vytváří ekonomickou pobídku k čištění našich oceánů," řekla Erika Ericksonová, bývalá postdoktorandská výzkumnice NREL, která prováděla velkou část experimentální práce za těmito studiemi. "Za takové ceny lze kontaminaci PET za přijatelnou cenu recyklovat do nových PET produktů nebo najít nové využití v lopatkách větrných turbín nebo nárazníkech z uhlíkových vláken."

Post-spotřebitelské PET produkty, které jsou často dnešním zdrojem znečištění, mohou být přeměněny na cenné zdroje na podporu ekologicky udržitelnější ekonomiky plastů.

Není těžké si představit, jak by to změnilo příběh o plastech: recyklace PET stojí tak nízko, že ekonomika dává přednost jeho vyhazování do recyklačního koše než do koše. Tričko, kobereček, láhev sody – vše je vloženo a jako stavební kámen začněte svou okružní cestu za vytvořením čistšího a zelenějšího světa.

Podíl: