Kitar semula pakaian dan permaidani PET enzimatik mengurangkan pra-rawatan atau lebih murah daripada pembuatan petroleum- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Penyelidik Kanan di Makmal Tenaga Boleh Diperbaharui Kebangsaan (NREL) di Amerika Syarikat Realitinya kebanyakan produk PET, terutamanya pakaian dan permaidani PET, tidak dikitar semula menggunakan teknik kitar semula tradisional hari ini. Komuniti penyelidikan sedang membangunkan alternatif yang menjanjikan, termasuk enzim yang bertujuan untuk menyahpolimer PET, tetapi pilihan ini sering bergantung pada penggunaan tenaga yang tinggi dan langkah pra-rawatan kos tinggi untuk menjadi berkesan

Penyelidik Jaffes Gardo (kiri), Erica Erickson (kanan), dan rakan sekerja telah menemui dan mencirikan enzim yang merendahkan PET kristal, plastik yang digunakan dalam botol minuman pakai buang, permaidani, pakaian dan pembungkusan makanan.

Oleh itu, kebanyakan PET yang dihasilkan hari ini akhirnya memasuki tapak pelupusan sampah atau persekitaran - malah produk PET yang benar-benar memasuki stesen kitar semula.

Namun begitu, Beckham berkata bahawa keadaan sedang berubah dengan pantas, dan kaedah lanjutan dalam pembelajaran mesin dan biologi sintetik telah memberikan para saintis pemahaman yang belum pernah berlaku sebelum ini tentang biologi asas enzim dekonstruktif PET. Baru-baru ini, Beckham dan rakan-rakannya di Universiti Portsmouth dan Montana State University menggunakan kaedah ini untuk menemui varian enzim baharu, yang dijangka menyahbina PET yang paling mencabar tanpa pra-rawatan tambahan.

Ini bukan sahaja bermakna kami berada di barisan hadapan dalam kitar semula enzim untuk semua bentuk PET, termasuk permaidani dan pakaian - ini juga bermakna kitar semula PET mungkin lebih murah daripada mengeluarkan PET dari awal dengan minyak.

— 1 —

Enzim tersembunyi di dalam tanah

Konsep pemulihan enzim dalam PET telah diketahui sejak 2005, tetapi selepas saintis Jepun membuat penemuan yang menakjubkan, ia membuat debutnya di pentas dunia pada 2016. Terkubur di dalam tanah di luar kemudahan kitar semula di Jepun, enzim yang mereka panggil Ideonella sakaiensis secara senyap-senyap. merembes untuk memecahkan botol minuman plastik lama yang bertaburan.

Alam semulajadi menyediakan penyelesaian yang hebat untuk memecahkan ikatan kimia PET. Atas sebab tertentu, alam semula jadi menunjukkan cara mengurangkan botol PET kepada komponen asasnya: asid terephthalic dan etilena glikol.

Beberapa siri kajian diikuti. Para saintis cuba meningkatkan enzim yang digunakan dalam teknologi perindustrian untuk memproses berjuta-juta tan PET yang dihasilkan setiap tahun. Mereka menganggap bahawa jika dipertingkatkan, platform kitar semula enzim boleh mengubah sepenuhnya sistem kitar semula yang kurang berprestasi hari ini, mengurangkan tenaga dan pelepasan gas rumah hijau, dan menggalakkan ekonomi bulat untuk semua produk PET - malah permaidani dan fabrik yang tidak boleh dikitar semula menggunakan teknologi tradisional.

Apabila penyelidik menyedari potensi menggunakan enzim untuk memecahkan plastik, kertas baru dari seluruh dunia telah menerangi kesusasteraan saintifik, "kata John McGeehan, seorang saintis di pasukan Universiti Portsmouth (UoP) di UK. Pakar dari pelbagai bidang seperti kerana farmaseutikal dan biofuel boleh menggunakan semula dekad pengalaman penyelidikan untuk mengubah suai enzim

Platform pemulihan enzim syarikat NREL/UoP secara berkesan menguraikan bahan mentah plastik PET (kiri) ke dalam unit struktur kimianya. Sampel PET di sebelah kanan berkurangan jisim sebanyak 97.7% selepas dihidrolisiskan oleh enzim daripada syarikat NREL/UoP.

Malah, dalam satu siri kertas kerja yang kerap dipetik yang diterbitkan antara 2018 dan 2021, Beckham, McGihan, dan rakan sekerja mereka mencirikan enzim yang meningkatkan kecekapan mereka dengan faktor enam dan menganalisis kesan alam sekitar dan ekonomi kitar semula PET skala industri. Kertas kerja 2022 yang sepadan menilai kesan kitaran hayat pada sistem pemulihan PET enzimatik masa depan.

Kajian-kajian ini telah membuahkan hasil yang luar biasa. Dengan memproses PET dalam bioreaktor selama 48 jam, mereka menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk menukar hampir 98 peratus plastik kepada asid tereftalat dan etilena glikol - bahan binaan kitar semula berkualiti tinggi yang digunakan untuk membuat botol PET baharu, dan juga plastik canggih yang lebih mudah untuk dikitar semula.

"Bekerja dalam bidang yang berkembang begitu pesat adalah pengalaman yang luar biasa," tambah McGihan. "Kami mencapai tahap di mana sains kolaboratif mempunyai potensi yang besar untuk mempercepatkan pembangunan berskala besar dan pelancaran penyelesaian berasaskan enzim."

Walaupun terdapat kemajuan yang pesat, halangan utama kepada kitar semula enzim berskala industri muncul.

Enzim ini hanya berkesan terhadap peratusan kecil produk PET — yang diperbuat daripada PET "amorfus". Tanpa terlebih dahulu melembutkannya dengan suhu tinggi dan tenaga tambahan, mereka bekerja keras untuk menyahbina jenis "kristal" PET yang sangat biasa dan tahan lama. PET kristal menyumbang hampir 90% daripada semua produk PET, termasuk gentian poliester dalam pakaian dan beberapa botol minuman sekali pakai.

Para saintis memerlukan enzim yang lebih baik dalam memecahkan PET kristal, dan diharapkan mereka dapat menemui enzim pemakan plastik lain yang bersembunyi di dalam kotoran.

— 2 —

Gunakan pembelajaran mesin untuk "melombong" enzim baharu

Nasib baik, pasukan itu tidak memerlukan penyodok untuk melombong varieti enzim baharu, dan kemajuan dalam bioinformatik dan pembelajaran mesin telah memungkinkan untuk mencari pelbagai enzim yang aktif pada PET kristal dalam pangkalan data jujukan enzim sedia ada yang luas.

"Kaedah tradisional mencari enzim pemakan plastik baharu daripada pangkalan data mungkin tidak berkesan kerana enzim yang hampir sama dalam komposisi kimia tidak semestinya mengekalkan aktiviti pemusnahan plastik," kata saintis pengiraan NREL, Japhaus Gado.

Untuk menangani cabaran ini, Gado membina model statistik untuk mempelajari peraturan biologi enzim pecahan plastik yang diketahui. Model ini memberikan kebarangkalian kepada komposisi unik enzim yang dikaji setakat ini. Gado juga membina model pembelajaran mesin sokongan untuk meramalkan toleransi haba enzim, yang penting untuk aplikasi industri.

Paparan 3D DeepMind mendedahkan ciri struktur yang tidak dijangka, seperti enzim 611 dalam rajah. Analisis teliti tandatangan struktur protein seperti enzim 611 boleh membantu pasukan meningkatkan prestasi mereka.

Bersama-sama, kedua-dua model pengiraan ini membolehkan Gado dan rakan-rakannya mengunjur ke wilayah yang belum dipetakan. Dalam masa kurang dari sejam, mereka menyaring lebih daripada 2 juta protein, mencipta senarai pendek calon yang menjanjikan. Ujian lanjut mengesahkan bahawa 5 dapat menyahbina PET, 36 yang tidak pernah diterangkan sebelum ini dalam kesusasteraan saintifik.

Yang penting, ada yang lebih baik dalam menguraikan PET kristal berbanding PET amorfus.

"Enzim baru ini bukan sahaja berbeza secara genetik, " jelas Gado. "Mereka mempunyai struktur yang berbeza dan geometri yang berbeza dari pusat aktif."

Gado dengan yakin boleh bercakap tentang struktur 24 enzim baharu kerana dia melihatnya kelihatan seperti — sekurang-kurangnya dalam pemaparan 3D yang disediakan oleh penyelidik di DeepMind, anak syarikat Alphabet. Dikenali kerana memetakan "seluruh alam semesta protein", DeepMind mencirikan enzim ini dengan alat pembelajaran mendalamnya, AlphaFold, supaya pasukan dapat membandingkan enzim bersebelahan dan melihat perbezaannya.

Semua alat mempunyai keupayaan untuk menyahbina PET, tetapi terdapat beberapa yang kelihatan sangat berbeza. Menurut Gado, rendering DeepMind memberikan petunjuk berharga tentang cara dekonstruksi plastik bertindak pada PET.

"Kaedah AI tercanggih membantu kami mencari corak dalam data enzim, yang akan meningkatkan pemahaman kami tentang apa yang menjadikan enzim plastik boleh dimakan yang baik," tambah Gado. "Ini akan membolehkan kami menambah baik enzim dengan kejuruteraan protein dan mencari enzim lain dalam alam semula jadi yang berfungsi sama."

Ini adalah satu lagi langkah ke hadapan untuk pasukan penyelidikan yang sudah prolifik dan satu lagi langkah ke arah kitar semula PET berskala besar.

— 3 —

Lebih murah dan lebih mesra alam

Analisis mengukur kelebihan pemulihan PET enzimatik

Menurut Beckham, pembersihan, carik dan pemanasan - langkah yang diperlukan untuk menyediakan penguraian PET - adalah antara pemacu kemampanan yang paling penting untuk kemudahan kitar semula enzim berskala industri.

"Meminimumkan langkah prarawatan ini adalah penting untuk menjadikan kos pemulihan enzim kompetitif berbanding dengan menghasilkan resin PET daripada petroleum," jelasnya.

Para saintis di Universiti NREL dan UoP telah membangunkan platform enzimatik yang menjimatkan kos dan mesra alam yang boleh memecahkan PET pasca pengguna dengan cepat kepada bahan binaan kimia yang sama, asid tereftalat (TPA) dan etilena glikol (EG).

Dalam eksperimen seterusnya, pasukan mendapati bahawa beberapa enzim yang dilabelkan oleh kaedah pembelajaran mesin mereka adalah sama berkesan untuk memecahkan PET kristal dan amorf. Enzim ini tidak memerlukan prarawatan sama sekali untuk membantu melembutkan pengikatan plastik.

"Dengan menghapuskan prarawatan, teknologi ini membolehkan kitar semula PET skala industri, yang sebenarnya lebih murah daripada menggunakan petroleum untuk menghasilkan PET dara," katanya lagi Beckham. "Lebih baik lagi, ia boleh mengurangkan tenaga yang berkaitan dan pelepasan gas rumah hijau."

Dalam artikel terdahulu yang diterbitkan dalam Joule, pada 2021, pasukan itu telah mengukur kelebihan ekonomi dan alam sekitar menggunakan enzim aktif pada PET kristal. Dalam kemudahan berskala industri, berbuat demikian boleh mengurangkan permintaan tenaga rantaian bekalan sebanyak 45% dan pelepasan gas rumah hijau kitaran hayat sebanyak 38% berbanding sistem yang menggunakan prarawatan.

Kelebihan ekonomi adalah sama mengagumkan. Apabila membuang permaidani dan pakaian PET — yang tidak boleh dikitar semula dengan teknik konvensional — mereka juga boleh menghasilkan asid tereftalat dengan harga kurang daripada $1 sekilogram. Asid terephthalic yang berasal dari petroleum telah dijual pada harga $1 hingga $1.50 sekilogram.

"Platform enzim kami mencipta insentif ekonomi untuk membersihkan lautan kita, " kata Erika Erickson, bekas penyelidik pasca doktoral NREL yang menjalankan banyak kerja eksperimen di sebalik kajian ini. "Pada titik harga sedemikian, pencemaran PET boleh dikitar semula dengan berpatutan kepada produk PET baharu atau mencari kegunaan baharu dalam bilah turbin angin atau bampar gentian karbon."

Produk PET pasca pengguna, yang sering menjadi sumber pencemaran hari ini, boleh dijadikan sumber yang berharga untuk menyokong ekonomi plastik yang lebih mampan terhadap alam sekitar.

Tidak sukar untuk membayangkan bagaimana ini akan mengubah cerita tentang plastik: Kos kitar semula PET sangat rendah sehingga ekonomi lebih suka membuangnya ke dalam tong kitar semula dan bukannya sampah. Kemeja-T, permaidani, botol soda – segala-galanya dimasukkan ke dalam dan sebagai blok binaan, mulakan perjalanan bulat mereka untuk mencipta dunia yang lebih bersih dan hijau.

Kongsi: