Vaatteiden ja mattojen entsymaattinen PET-kierrätys vähentää esikäsittelyä tai on halvempaa kuin öljyn valmistus- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Vanhempi tutkija National Renewable Energy Laboratoryssa (NREL) Yhdysvalloissa Todellisuus on, että useimpia PET-tuotteita, etenkään PET-vaatteet ja -mattoja, ei kierrätetä perinteisillä kierrätystekniikoilla. Tutkimusyhteisö kehittää lupaavia vaihtoehtoja, mukaan lukien PET:n depolymerointiin tarkoitetut entsyymit, mutta myös nämä valinnat edellyttävät usein suurta energiankulutusta ja kalliita esikäsittelyvaiheita ollakseen tehokkaita.

Tutkijat Jaffes Gardo (vas.), Erica Erickson (oikealla) ja kollegat ovat löytäneet ja karakterisoineet entsyymejä, jotka hajottavat kiteistä PET:tä, muovia, jota käytetään kertakäyttöisissä juomapulloissa, matoissa, vaatteissa ja elintarvikepakkauksissa.

Siksi suurin osa nykyään tuotetusta PET:stä päätyy lopulta kaatopaikoille tai ympäristöön – jopa PET-tuotteisiin, jotka todella päätyvät kierrätysasemille.

Siitä huolimatta, Beckham sanoi, että asiat muuttuvat nopeasti, ja edistyneet menetelmät koneoppimisessa ja synteettisessä biologiassa ovat antaneet tutkijoille ennennäkemättömän ymmärryksen PET-dekonstruktioentsyymien perusbiologiasta. Hiljattain Beckham ja hänen kollegansa Portsmouthin yliopistosta ja Montana State Universitystä käyttivät näitä menetelmiä löytääkseen uusia entsyymivariantteja, joiden odotetaan purkavan haastavimman PET:n ilman ylimääräistä esikäsittelyä.

Tämä ei tarkoita vain sitä, että olemme edelläkävijöitä entsyymien kierrättämisessä kaikissa PET-muodoissa, mukaan lukien matot ja vaatteet, vaan myös sitä, että PET:n kierrätys voi pian olla halvempaa kuin PET:n valmistaminen tyhjästä öljyllä.

— 1 –

Entsyymit piilossa maaperään

Entsyymien talteenoton käsite PET:ssä on ollut tiedossa vuodesta 2005, mutta japanilaisten tutkijoiden tehtyä hämmästyttäviä löytöjä se teki debyyttinsä maailmannäyttämöllä vuonna 2016. Japanin kierrätyslaitoksen ulkopuolelle haudattu entsyymi, jota he hiljaa kutsuvat Ideonella sakaiensikseksi. erittyy hajottaakseen vanhoja muovisia juomapulloja.

Luonto tarjoaa loistavan ratkaisun PET:n kemiallisten sidosten katkaisemiseen. Jostain syystä luonto näyttää, kuinka PET-pullot voidaan pelkistää niiden peruskomponentteihin: tereftaalihappoon ja etyleeniglykoliin.

Seurasi joukko tutkimuksia. Tutkijat yrittävät tehostaa teollisessa tekniikassa käytettyjä entsyymejä käsittelemään miljoonia tonneja vuosittain tuotettua PET:tä. He olettavat, että entsyymien kierrätysalusta voi parantaa täysin nykypäivän huonokuntoisia kierrätysjärjestelmiä, vähentää energia- ja kasvihuonekaasupäästöjä sekä edistää kiertotaloutta kaikille PET-tuotteille – myös sellaisille matoille ja kankaille, joita ei voida kierrättää perinteisillä tekniikoilla.

Kun tutkijat ymmärtävät entsyymien käytön mahdollisuudet muovien hajottamiseen, uudet paperit ympäri maailmaa ovat lisänneet tieteellistä kirjallisuutta", sanoi John McGeehan, tutkija Portsmouthin yliopiston (UoP) työryhmästä Isossa-Britanniassa. Asiantuntijat eri aloilta, kuten koska lääkkeet ja biopolttoaineet voivat käyttää uudelleen vuosikymmenten tutkimuskokemusta entsyymien muokkaamiseen

NREL/UoP-yhtiön entsyymien talteenottoalusta hajottaa tehokkaasti PET-muoviraaka-aineen (vas.) kemiallisiin rakenneyksiköihinsä. Oikealla olevan PET-näytteen massa pieneni 97,7 % sen jälkeen, kun se hydrolysoitui NREL/UoP-yhtiön entsyymeillä.

Itse asiassa vuosina 2018–2021 julkaistuissa usein siteeratuissa julkaisuissa Beckham, McGihan ja heidän kollegansa luonnehtivat entsyymejä, jotka lisäsivät niiden tehokkuutta kertoimella kuusi, ja analysoivat teollisen PET-kierrätyksen ympäristö- ja taloudellisia vaikutuksia. Vastaava vuoden 2022 paperi arvioi elinkaarivaikutuksia tuleviin entsymaattisiin PET:n talteenottojärjestelmiin.

Nämä tutkimukset ovat tuottaneet merkittäviä tuloksia. Käsittelemällä PET:tä bioreaktorissa 48 tuntia, he osoittivat, että lähes 98 prosenttia muovista on mahdollista muuttaa tereftaalihapoksi ja etyleeniglykoliksi – korkealaatuisiksi kierrätetyiksi rakennusmateriaaleiksi, joita käytetään uusien PET-pullojen valmistukseen, ja jopa edistyksellisiksi muoveiksi, jotka ovat helpompi kierrättää.

"Työskentely alalla, joka kasvaa niin nopeasti, on uskomaton kokemus", McGihan lisäsi. "Olemme saavuttamassa pistettä, jossa yhteistyöhön perustuvalla tieteellä on valtava potentiaali nopeuttaa entsyymipohjaisten ratkaisujen laajamittaista kehitystä ja käyttöönottoa."

Nopeasta edistymisestä huolimatta keskeinen este teollisen mittakaavan entsyymien kierrätykselle on edessä.

Tämä entsyymi on tehokas vain pieneen prosenttiosuuteen PET-tuotteista – "amorfisesta" PET:stä valmistettuihin. Pehmentyttämättä niitä ensin korkeissa lämpötiloissa ja ylimääräisellä energialla, he työskentelivät kovasti purkaakseen hyvin yleisiä, kestäviä PET-kiteiden muotoja. Kiteisen PET:n osuus kaikista PET-tuotteista on lähes 90 %, mukaan lukien polyesterikuidut vaatteissa ja eräät kertakäyttöiset juomapullot.

Tutkijat tarvitsevat entsyymejä, jotka hajottavat paremmin kiteistä PET:tä, ja toivottavasti he löytävät muita muovia syöviä entsyymejä piiloutumassa likaan.

— 2 —

Käytä koneoppimista uusien entsyymien "louhimiseen".

Onneksi tiimi ei tarvitse lapiota uusien entsyymilajikkeiden louhimiseen, ja bioinformatiikan ja koneoppimisen edistyminen on mahdollistanut kiteisen PET:n aktiivisten entsyymien etsimisen laajasta olemassa olevien entsyymisekvenssien tietokannasta.

"Perinteiset menetelmät löytää uusia muovia syöviä entsyymejä tietokannoista voivat olla tehottomia, koska entsyymit, jotka ovat kemialliselta koostumukseltaan hyvin samankaltaisia, eivät välttämättä säilytä muovia hajottavaa aktiivisuutta", sanoi NREL:n laskennallinen tutkija Japhaus Gado.

Vastatakseen tähän haasteeseen Gado rakensi tilastollisen mallin oppiakseen tunnettujen muovin hajoamisentsyymien biologiset säännöt. Malli määrittää todennäköisyydet tähän mennessä tutkittujen entsyymien ainutlaatuiselle koostumukselle. Gado rakensi myös tukevan koneoppimismallin ennustamaan entsyymien lämmönsietokykyä, mikä on tärkeää teollisissa sovelluksissa.

DeepMindin 3D-renderöinti paljasti odottamattomia rakenteellisia piirteitä, kuten kuvassa olevan entsyymin 611. Proteiinien, kuten entsyymi 611, rakenteellisten allekirjoitusten huolellinen analyysi voi auttaa tiimiä parantamaan suorituskykyään.

Yhdessä nämä kaksi laskennallista mallia antavat Gadon ja hänen kollegoidensa heijastaa kartoittamattomalle alueelle. Alle tunnissa he seuloivat yli 2 miljoonaa proteiinia ja loivat lyhyen luettelon lupaavista ehdokkaista. Lisätestaukset vahvistivat, että 5 pystyi purkamaan PET:n, 36, jota ei ollut aiemmin kuvattu tieteellisessä kirjallisuudessa.

Tärkeää on, että jotkut ovat jopa parempia hajottamaan kiteistä PET:tä kuin amorfista PET:tä.

"Nämä uudet entsyymit eivät ole vain geneettisesti erilaisia", Gado selittää. "Niillä on erilaiset rakenteet ja erilaiset aktiivisten keskusten geometriat."

Gado voi luottavaisesti puhua 24 uuden entsyymin rakenteesta, koska hän on nähnyt ne näyttävän - ainakin Alphabet-tytäryrityksen DeepMindin tutkijoiden toimittamissa 3D-muodoissa. "Koko proteiiniuniversumin" kartoittamisesta tunnettu DeepMind luonnehtii näitä entsyymejä syväoppimistyökalullaan, AlphaFoldilla, jotta tiimi pystyi vertailemaan entsyymejä rinnakkain ja havaitsemaan niiden erot.

Kaikilla työkaluilla on kyky purkaa PET:tä, mutta on muutamia, jotka näyttävät hämmästyttävän erilaisilta. Gadon mukaan DeepMindin renderöinnit tarjoavat arvokkaita vihjeitä siitä, kuinka muovidekonstruktiaasit vaikuttavat PET:hen.

"Huippuluokan tekoälymenetelmät auttavat meitä löytämään malleja entsyymitiedoista, mikä parantaa ymmärrystämme siitä, mikä tekee hyvistä muovisista syötävistä entsyymeistä", Gado lisäsi. "Tämän avulla voimme parantaa entsyymejä proteiinitekniikalla ja löytää muita entsyymejä luonnosta, jotka toimivat samalla tavalla."

Tämä on uusi askel eteenpäin jo ennestään tuotteliaalle tutkimusryhmälle ja uusi askel kohti laajamittaista PET-kierrätystä.

— 3 —

Halvempaa ja ympäristöystävällisempää

Analyysi määritti entsymaattisen PET:n talteenoton edut

Beckhamin mukaan puhdistus, silppuaminen ja lämmitys – vaiheet, joita tarvitaan PET:n hajoamiseen valmistautumiseen – ovat teollisen mittakaavan entsyymien kierrätyslaitosten tärkeimpiä kestävän kehityksen tekijöitä.

"Näiden esikäsittelyvaiheiden minimointi on ratkaisevan tärkeää, jotta entsyymien talteenottokustannukset saadaan kilpailukykyisiksi verrattuna PET-hartsin tuotantoon maaöljystä", hän selittää.

NREL-yliopiston ja UoP:n tutkijat ovat kehittäneet kustannustehokkaan, ympäristöystävällisen entsymaattisen alustan, joka voi nopeasti hajottaa kulutuksen jälkeisen PET:n identtisiksi kemiallisiksi rakennuspalikoksi, tereftaalihapoksi (TPA) ja etyleeniglykoliksi (EG).

Myöhemmissä kokeissa ryhmä huomasi, että jotkin koneoppimismenetelmällään leimatut entsyymit olivat yhtä tehokkaita hajottamaan kiteistä ja amorfista PET:tä. Nämä entsyymit eivät vaadi lainkaan esikäsittelyä muovien sitoutumisen pehmentämiseksi.

"Esikäsittelyn eliminoimalla teknologia mahdollistaa teollisen PET-kierrätyksen, mikä on itse asiassa halvempaa kuin öljyn käyttäminen neitseellisen PET:n tuottamiseen", hän sanoi Beckham. "Ja mikä parasta, se voi vähentää siihen liittyviä energia- ja kasvihuonekaasupäästöjä."

Joulessa vuonna 2021 julkaistussa aiemmassa artikkelissa ryhmä oli kvantifioinut aktiivisten entsyymien käytön taloudelliset ja ympäristölliset edut kiteisessä PET:ssä. Teollisen mittakaavan laitoksissa tämä voi vähentää toimitusketjun energian kysyntää 45 % ja elinkaaren aikana syntyviä kasvihuonekaasupäästöjä 38 % verrattuna esikäsittelyä käyttäviin järjestelmiin.

Taloudelliset edut ovat yhtä vaikuttavat. Kun hävitetään PET-matto ja -vaatteet – joita ei voida kierrättää perinteisillä tekniikoilla – ne voivat myös tuottaa tereftaalihappoa alle 1 dollarilla kilogrammalta. Öljyperäistä tereftaalihappoa on historiallisesti myyty 1–1,50 dollarilla kilolta.

"Entsyymialustamme luo taloudellisen kannustimen valtameriemme puhdistamiseen", sanoi Erika Erickson, entinen NREL-tutkijatutkija, joka suoritti suuren osan näiden tutkimusten taustalla olevasta kokeellisesta työstä. "Tällaisilla hintapisteillä PET-kontaminaatio voidaan edullisesti kierrättää uusiksi PET-tuotteiksi tai löytää uusia käyttökohteita tuuliturbiinien siivissä tai hiilikuitupuskureissa."

Kulutuksen jälkeiset PET-tuotteet, jotka ovat usein nykypäivän saastelähteitä, voidaan muuttaa arvokkaiksi resurssiksi ympäristön kannalta kestävämmän muovitalouden tukemiseksi.

Ei ole vaikea kuvitella, kuinka tämä muuttaisi muovin tarinaa: PET-kierrätys maksaa niin alhaisia, että talous suosii sen heittämistä kierrätysastiaan roskien sijaan. T-paita, matto, virvoitusjuomapullo – kaikki laitetaan sisään ja rakennuspalikkana aloitetaan kiertomatka puhtaamman, vihreämmän maailman luomiseksi.

Jaa: