Enzymatisk PET-resirkulering av klær og tepper reduserer forbehandling eller er billigere enn petroleumsproduksjon- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Seniorforsker ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) i USA Realiteten er at de fleste PET-produkter, spesielt PET-klær og -tepper, ikke resirkuleres ved bruk av tradisjonelle resirkuleringsteknikker i dag. Forskningsmiljøet utvikler lovende alternativer, inkludert enzymer rettet mot depolymerisering av PET, men selv disse valgene er ofte avhengige av høyt energiforbruk og høye kostnader forbehandlingstrinn for å være effektive

Forskerne Jaffes Gardo (til venstre), Erica Erickson (til høyre) og kolleger har oppdaget og karakterisert enzymer som bryter ned krystallinsk PET, en plast som brukes i engangs drikkeflasker, tepper, klær og matemballasje.

Derfor kommer mesteparten av PET-en som produseres i dag til slutt inn på søppelfyllinger eller miljøet – til og med PET-produkter som faktisk kommer inn på gjenvinningsstasjoner.

Likevel sa Beckham at ting endrer seg raskt, og avanserte metoder innen maskinlæring og syntetisk biologi har gitt forskere en enestående forståelse av den grunnleggende biologien til PET-dekonstruktive enzymer. Nylig brukte Beckham og hans kolleger ved University of Portsmouth og Montana State University disse metodene for å oppdage nye enzymvarianter, som forventes å dekonstruere den mest utfordrende PET uten ytterligere forbehandling.

Dette betyr ikke bare at vi er i forkant av enzymresirkulering for alle former for PET, inkludert tepper og klær – det betyr også at gjenvinning av PET snart kan bli billigere enn å produsere PET fra bunnen av med olje.

- 1 -

Enzymer gjemt i jord

Konseptet med enzymgjenvinning i PET har vært kjent siden 2005, men etter at japanske forskere gjorde forbløffende funn, debuterte det på verdensscenen i 2016. Nedgravd i jorda utenfor et resirkuleringsanlegg i Japan, et enzym de kaller Ideonella sakaiensis stille. skiller ut for å bryte ned spredte gamle drikkeflasker i plast.

Naturen gir en flott løsning for å bryte de kjemiske bindingene til PET. Av en eller annen grunn demonstrerer naturen hvordan man kan redusere PET-flasker til sine grunnleggende komponenter: tereftalsyre og etylenglykol.

En rekke studier fulgte. Forskere prøver å forbedre enzymene som brukes i industriell teknologi for å behandle millioner av tonn PET produsert årlig. De antar at hvis den forbedres, kan enzymresirkuleringsplattformen fullstendig endre dagens underpresterende resirkuleringssystemer, redusere energi- og klimagassutslipp, og fremme en sirkulær økonomi for alle PET-produkter – også tepper og tekstiler som ikke kan resirkuleres ved bruk av tradisjonelle teknologier.

Etter hvert som forskere innser potensialet ved å bruke enzymer til å bryte ned plast, har nye artikler fra hele verden lyst opp vitenskapelig litteratur, sier John McGeehan, en vitenskapsmann ved University of Portsmouth (UoP) team i Storbritannia. Eksperter fra forskjellige felt som f.eks. ettersom legemidler og biodrivstoff kan gjenbruke flere tiår med forskningserfaring for å modifisere enzymer

Enzymgjenvinningsplattformen til NREL/UoP-selskapet dekomponerer effektivt PET-plastråmateriale (til venstre) til sine kjemiske strukturelle enheter. PET-prøven til høyre gikk ned i masse med 97,7 % etter å ha blitt hydrolysert av enzymer fra NREL/UoP-selskapet.

Faktisk, i en serie med ofte siterte artikler publisert mellom 2018 og 2021, karakteriserte Beckham, McGihan og deres kolleger enzymer som økte effektiviteten med en faktor på seks og analyserte de miljømessige og økonomiske konsekvensene av PET-resirkulering i industriell skala. Det tilsvarende papiret fra 2022 evaluerer virkningen av livssyklus på fremtidige enzymatiske PET-gjenvinningssystemer.

Disse studiene har gitt bemerkelsesverdige resultater. Ved å behandle PET i en bioreaktor i 48 timer, viste de at det er mulig å omdanne nesten 98 prosent av plasten til tereftalsyre og etylenglykol – høykvalitets resirkulerte byggematerialer som brukes til å lage nye PET-flasker, og til og med avansert plast som er lettere å resirkulere.

"Å jobbe i et felt som vokser så raskt er en utrolig opplevelse," la McGihan til. "Vi når et punkt hvor samarbeidsvitenskap har et enormt potensial for å akselerere storskala utvikling og utrulling av enzymbaserte løsninger."

Til tross for rask fremgang, er det en viktig barriere for resirkulering av enzymer i industriell skala.

Dette enzymet er bare effektivt mot en liten prosentandel av PET-produkter - de laget av "amorf" PET. Uten først å myke dem med høye temperaturer og ekstra energi, jobbet de hardt for å dekonstruere de svært vanlige, holdbare variantene av PET-"krystaller". Krystallinsk PET står for nesten 90 % av alle PET-produkter, inkludert polyesterfibre i klær og enkelte drikkeflasker til engangsbruk.

Forskere trenger enzymer som er flinkere til å bryte ned krystallinsk PET, og forhåpentligvis kan de finne andre plastspisende enzymer som gjemmer seg i skitten.

— 2 —

Bruk maskinlæring for å "mine" nye enzymer

Heldigvis trenger ikke teamet en spade for å gruve etter nye enzymvarianter, og fremskritt innen bioinformatikk og maskinlæring har gjort det mulig å lete etter ulike enzymer som er aktive på krystallinsk PET i en enorm database med eksisterende enzymsekvenser.

"Tradisjonelle metoder for å finne nye plastspisende enzymer fra databaser kan være ineffektive fordi enzymer som er veldig like i kjemisk sammensetning ikke nødvendigvis beholder plastisk destrukturerende aktivitet," sa NREL dataforsker Japhaus Gado.

For å møte denne utfordringen bygde Gado en statistisk modell for å lære de biologiske reglene for kjente plastnedbrytningsenzymer. Modellen tildeler sannsynligheter til den unike sammensetningen av enzymene som er studert så langt. Gado bygde også en støttende maskinlæringsmodell for å forutsi varmetoleransen til enzymer, noe som er viktig for industrielle applikasjoner.

DeepMinds 3D-gjengivelse avslørte uventede strukturelle funksjoner, slik som enzymet 611 i figuren. Nøye analyse av de strukturelle signaturene til proteiner som enzym 611 kan hjelpe teamet med å forbedre ytelsen.

Sammen lar disse to beregningsmodellene Gado og kollegene hans projisere inn i ukjent territorium. På mindre enn en time screenet de mer enn 2 millioner proteiner, og skapte en kort liste over lovende kandidater. Ytterligere testing bekreftet at 5 var i stand til å dekonstruere PET, 36 som ikke tidligere var beskrevet i vitenskapelig litteratur.

Viktigere er at noen er enda bedre til å bryte ned krystallinsk PET enn amorf PET.

"Disse nye enzymene er ikke bare genetisk mangfoldige," forklarer Gado. "De har forskjellige strukturer og forskjellige geometrier til de aktive sentrene."

Gado kan trygt snakke om strukturen til de 24 nye enzymene fordi han har sett dem se ut - i det minste i 3D-gjengivelsene levert av forskere ved DeepMind, et datterselskap av Alphabet. Kjent for å kartlegge "hele proteinuniverset", karakteriserte DeepMind disse enzymene med sitt dyplæringsverktøy, AlphaFold, slik at teamet kunne sammenligne enzymene side ved side og legge merke til forskjellene deres.

Alle verktøyene har evnen til å dekonstruere PET, men det er noen få som ser slående annerledes ut. I følge Gado gir DeepMinds gjengivelser verdifulle ledetråder om hvordan plastdekonstruktaser virker på PET.

"State-of-the-art AI-metoder hjelper oss med å finne mønstre i enzymdata, noe som vil forbedre vår forståelse av hva som gjør gode spiselige plastenzymer," la Gado til. "Dette vil tillate oss å forbedre enzymer med proteinteknologi og finne andre enzymer i naturen som fungerer på samme måte."

Dette er nok et skritt fremover for et allerede produktivt forskerteam og enda et skritt mot storskala PET-resirkulering.

— 3 —

Billigere og mer miljøvennlig

Analysen kvantifiserte fordelene ved enzymatisk PET-utvinning

Ifølge Beckham er rengjøring, makulering og oppvarming – trinnene som kreves for å forberede seg på nedbryting av PET – blant de viktigste bærekraftsdriverne for enzymresirkuleringsanlegg i industriell skala.

"Å minimere disse forbehandlingstrinnene er avgjørende for å gjøre kostnadene for enzymgjenvinning konkurransedyktige sammenlignet med å produsere PET-harpiks fra petroleum," forklarer han.

Forskere ved NREL University og UoP har utviklet en kostnadseffektiv, miljøvennlig enzymatisk plattform som raskt kan bryte ned post-consumer PET til identiske kjemiske byggesteiner, tereftalsyre (TPA) og etylenglykol (EG).

I påfølgende eksperimenter la teamet merke til at noen enzymer merket med deres maskinlæringsmetode var like effektive til å bryte ned krystallinsk og amorf PET. Disse enzymene krever ikke forbehandling i det hele tatt for å bidra til å myke opp bindingen av plast.

"Ved å eliminere forbehandling, muliggjør teknologien PET-resirkulering i industriell skala, som faktisk er billigere enn å bruke petroleum til å produsere virgin PET," sa han til. "Enda bedre, det kan redusere tilhørende energi- og klimagassutslipp."

I en tidligere artikkel publisert i Joule, i 2021, hadde teamet kvantifisert de økonomiske og miljømessige fordelene ved å bruke aktive enzymer på krystallinsk PET. I industrielle anlegg kan dette redusere energibehovet i forsyningskjeden med 45 % og livssyklusutslipp av klimagasser med 38 % sammenlignet med systemer som bruker forbehandling.

De økonomiske fordelene er like imponerende. Når du kaster PET-tepper og klær - som ikke kan resirkuleres med konvensjonelle teknikker - kan de også produsere tereftalsyre for mindre enn $1 per kilo. Petroleumsavledet tereftalsyre har historisk blitt solgt for $1 til $1,50 per kilo.

"Enzymplattformen vår skaper et økonomisk insentiv til å rense havene våre," sa Erika Erickson, en tidligere NREL-postdoktor som utførte mye av det eksperimentelle arbeidet bak disse studiene. "Til slike prispunkter kan PET-forurensning resirkuleres rimelig til nye PET-produkter eller finne nye bruksområder i vindturbinblader eller karbonfiberstøtfangere."

PET-produkter etter forbruk, ofte dagens kilde til forurensning, kan gjøres om til verdifulle ressurser for å støtte en mer miljømessig bærekraftig plastøkonomi.

Det er ikke vanskelig å forestille seg hvordan dette ville endre historien om plast: PET-resirkuleringskostnadene er så lave at økonomi favoriserer å kaste det i søppelbøtten i stedet for søppelet. En t-skjorte, et teppe, en brusflaske – alt settes inn og som en byggestein, start sin sirkulære reise for å skape en renere, grønnere verden.

Dele: