Enzimsko recikliranje PET odjeće i tepiha smanjuje prethodnu obradu ili je jeftinije od proizvodnje nafte- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Viši istraživač u Nacionalnom laboratoriju za obnovljivu energiju (NREL) u Sjedinjenim Državama. Realnost je takva da se većina PET proizvoda, posebice PET odjeća i tepisi, danas ne recikliraju tradicionalnim tehnikama recikliranja. Istraživačka zajednica razvija obećavajuće alternative, uključujući enzime usmjerene na depolimerizaciju PET-a, ali čak se i ti izbori često oslanjaju na visoku potrošnju energije i skupe korake predtretmana da bi bili učinkoviti

Istraživači Jaffes Gardo (lijevo), Erica Erickson (desno) i kolege otkrili su i karakterizirali enzime koji razgrađuju kristalni PET, plastiku koja se koristi u jednokratnim bocama za piće, tepisima, odjeći i ambalaži za hranu.

Stoga većina PET-a koji se danas proizvodi na kraju odlazi na odlagališta otpada ili u okoliš - čak i PET proizvodi koji zapravo ulaze u postaje za recikliranje.

Ipak, Beckham je rekao da se stvari brzo mijenjaju, a napredne metode u strojnom učenju i sintetičkoj biologiji dale su znanstvenicima neviđeno razumijevanje temeljne biologije PET dekonstruktivnih enzima. Nedavno su Beckham i njegovi kolege sa Sveučilišta u Portsmouthu i Državnom sveučilištu u Montani upotrijebili ove metode za otkrivanje novih varijanti enzima, za koje se očekuje da dekonstruiraju najizazovniji PET bez dodatnog prethodnog tretmana.

To ne samo da znači da smo predvodnici recikliranja enzima za sve oblike PET-a, uključujući tepihe i odjeću - to također znači da bi recikliranje PET-a uskoro moglo biti jeftinije od proizvodnje PET-a od nule s uljem.

— 1 —

Enzimi skriveni u tlu

Koncept oporabe enzima u PET-u poznat je od 2005., ali nakon što su japanski znanstvenici došli do zapanjujućih otkrića, debitirao je na svjetskoj sceni 2016. Zakopan u tlu ispred postrojenja za reciklažu u Japanu, enzim koji tiho zovu Ideonella sakaiensis izlučuje za razbijanje razbacanih starih plastičnih boca od pića.

Priroda nudi odlično rješenje za kidanje kemijskih veza PET-a. Iz nekog razloga priroda pokazuje kako svesti PET boce na njihove osnovne komponente: tereftalnu kiselinu i etilen glikol.

Uslijedio je niz studija. Znanstvenici pokušavaju poboljšati enzime koji se koriste u industrijskoj tehnologiji za preradu milijuna tona PET-a proizvedenog godišnje. Pretpostavljaju da, ako se poboljša, platforma za recikliranje enzima može u potpunosti promijeniti današnje sustave recikliranja koji nisu učinkoviti, smanjiti energiju i emisije stakleničkih plinova te promicati kružno gospodarstvo za sve PET proizvode – čak i za tepihe i tkanine koji se ne mogu reciklirati tradicionalnim tehnologijama.

Kako istraživači shvaćaju potencijal korištenja enzima za razgradnju plastike, novi radovi iz cijelog svijeta osvijetlili su znanstvenu literaturu", rekao je John McGeehan, znanstvenik iz tima Sveučilišta u Portsmouthu (UoP) u Velikoj Britaniji. Stručnjaci iz različitih područja kao što su budući da farmaceutski proizvodi i biogoriva mogu ponovno upotrijebiti desetljeća istraživačkog iskustva za modificiranje enzima

Platforma za oporabu enzima tvrtke NREL/UoP učinkovito razgrađuje PET plastične sirovine (lijevo) u svoje kemijske strukturne jedinice. PET uzorku s desne strane smanjena je masa za 97,7% nakon što su ga hidrolizirali enzimi tvrtke NREL/UoP.

Zapravo, u nizu često citiranih radova objavljenih između 2018. i 2021., Beckham, McGihan i njihovi kolege okarakterizirali su enzime koji su povećali svoju učinkovitost za faktor šest i analizirali ekološke i ekonomske učinke recikliranja PET-a u industrijskim razmjerima. Odgovarajući dokument iz 2022. ocjenjuje utjecaj životnog ciklusa na buduće sustave enzimatske oporabe PET-a.

Ove studije su dale izvanredne rezultate. Obrađujući PET u bioreaktoru tijekom 48 sati, pokazali su da je moguće pretvoriti gotovo 98 posto plastike u tereftalnu kiselinu i etilen glikol – visokokvalitetne reciklirane građevinske materijale koji se koriste za izradu novih PET boca, pa čak i napredne plastike koja se lakši za recikliranje.

"Raditi u području koje tako brzo raste je nevjerojatno iskustvo", dodao je McGihan. "Dolazimo do točke u kojoj kolaborativna znanost ima golem potencijal da ubrza razvoj velikih razmjera i uvođenje rješenja temeljenih na enzimima."

Unatoč brzom napretku, nazire se ključna prepreka industrijskom recikliranju enzima.

Ovaj enzim je učinkovit samo protiv malog postotka PET proizvoda — onih napravljenih od "amorfnog" PET-a. Bez prethodnog omekšavanja visokim temperaturama i dodatnom energijom, naporno su radili na dekonstrukciji vrlo uobičajenih, izdržljivih varijanti PET "kristala". Kristalni PET čini gotovo 90% svih PET proizvoda, uključujući poliesterska vlakna u odjeći i nekim bocama pića za jednokratnu upotrebu.

Znanstvenici trebaju enzime koji su bolji u razgradnji kristalnog PET-a i nadamo se da će moći pronaći druge enzime koji jedu plastiku koji se skrivaju u prljavštini.

— 2 —

Koristite strojno učenje za "iskopavanje" novih enzima

Srećom, tim ne treba lopatu da bi iskopavao nove vrste enzima, a napredak u bioinformatici i strojnom učenju omogućio je traženje raznih enzima aktivnih na kristalnom PET-u u golemoj bazi podataka postojećih enzimskih sekvenci.

"Tradicionalne metode pronalaženja novih enzima koji jedu plastiku iz baza podataka mogu biti neučinkovite jer enzimi koji su vrlo slični u kemijskom sastavu ne zadržavaju nužno aktivnost razgradnje plastike", rekao je računalni znanstvenik NREL-a Japhaus Gado.

Kako bi odgovorio na ovaj izazov, Gado je napravio statistički model kako bi naučio biološka pravila poznatih enzima za razgradnju plastike. Model dodjeljuje vjerojatnosti jedinstvenom sastavu do sada proučavanih enzima. Gado je također izgradio prateći model strojnog učenja za predviđanje toplinske tolerancije enzima, što je važno za industrijske primjene.

DeepMindovo 3D renderiranje otkrilo je neočekivane strukturne značajke, kao što je enzim 611 na slici. Pažljiva analiza strukturnih potpisa proteina poput enzima 611 mogla bi pomoći timu da poboljša njihovu izvedbu.

Zajedno, ova dva računalna modela omogućuju Gadu i njegovim kolegama projiciranje na neistraženo područje. U manje od sat vremena pregledali su više od 2 milijuna proteina, stvorivši uži popis obećavajućih kandidata. Daljnjim testiranjem potvrđeno je da je 5 uspjelo dekonstruirati PET, 36 koji dosad nisu bili opisani u znanstvenoj literaturi.

Važno je napomenuti da su neki čak bolji u razgradnji kristalnog PET-a od amorfnog PET-a.

"Ovi novi enzimi nisu samo genetski različiti", objašnjava Gado. "Oni imaju različite strukture i različite geometrije aktivnih centara."

Gado može pouzdano govoriti o strukturi 24 nova enzima jer ih je vidio kako izgledaju - barem u 3D prikazima koje su dali istraživači u DeepMindu, podružnici Alphabeta. Poznat po mapiranju "cijelog svemira proteina", DeepMind je okarakterizirao ove enzime svojim alatom za dubinsko učenje, AlphaFold, kako bi tim mogao usporediti enzime jedan pored drugog i uočiti njihove razlike.

Svi alati imaju mogućnost dekonstrukcije PET-a, ali postoji nekoliko koji izgledaju zapanjujuće drugačije. Prema Gadou, DeepMindovi prikazi pružaju vrijedne tragove o tome kako plastične dekonstruktaze djeluju na PET.

"Najsuvremenije metode umjetne inteligencije pomažu nam pronaći uzorke u enzimskim podacima, što će poboljšati naše razumijevanje onoga što čini dobre plastične jestive enzime", dodao je Gado. "Ovo će nam omogućiti da poboljšamo enzime s proteinskim inženjeringom i pronađemo druge enzime u prirodi koji rade slično."

Ovo je još jedan korak naprijed za već plodan istraživački tim i još jedan korak prema velikom recikliranju PET-a.

— 3 —

Jeftiniji i ekološki prihvatljiviji

Analizom su kvantificirane prednosti enzimske PET oporabe

Prema Beckhamu, čišćenje, usitnjavanje i zagrijavanje – koraci potrebni za pripremu za razgradnju PET-a – među najvažnijim su pokretačima održivosti industrijskih postrojenja za recikliranje enzima.

"Minimiziranje ovih koraka prethodne obrade ključno je za konkurentnost troškova oporabe enzima u usporedbi s proizvodnjom PET smole iz nafte", objašnjava on.

Znanstvenici sa Sveučilišta NREL i UoP razvili su ekonomičnu, ekološki prihvatljivu enzimsku platformu koja može brzo razgraditi PET nakon upotrebe u identične kemijske građevne blokove, tereftalnu kiselinu (TPA) i etilen glikol (EG).

U kasnijim eksperimentima, tim je primijetio da su neki enzimi označeni njihovom metodom strojnog učenja jednako učinkoviti u razgradnji kristalnog i amorfnog PET-a. Ovi enzimi uopće ne zahtijevaju prethodnu obradu kako bi omekšali vezivanje plastike.

"Uklanjanjem predtretmana, tehnologija omogućuje recikliranje PET-a u industrijskim razmjerima, što je zapravo jeftinije od korištenja nafte za proizvodnju čistog PET-a", dodao je Beckham. "Još bolje, može smanjiti povezane energije i emisije stakleničkih plinova."

U ranijem članku objavljenom u Jouleu 2021., tim je kvantificirao ekonomske i ekološke prednosti korištenja aktivnih enzima na kristalnom PET-u. U industrijskim objektima to može smanjiti potražnju za energijom u opskrbnom lancu za 45%, a emisije stakleničkih plinova tijekom životnog ciklusa za 38% u usporedbi sa sustavima koji koriste predtretman.

Ekonomske prednosti su jednako impresivne. Kad odbace PET tepihe i odjeću — koji se ne mogu reciklirati konvencionalnim tehnikama — također mogu proizvesti tereftalnu kiselinu za manje od 1 USD po kilogramu. Tereftalna kiselina dobivena iz nafte povijesno se prodavala za 1 do 1,50 USD po kilogramu.

"Naša enzimska platforma stvara ekonomski poticaj za čišćenje naših oceana", rekla je Erika Erickson, bivša postdoktorandica NREL-a koja je provela velik dio eksperimentalnog rada iza ovih studija. "Po takvim cijenama, onečišćenje PET-om može se pristupačno reciklirati u nove PET proizvode ili pronaći novu upotrebu u lopaticama vjetroturbina ili odbojnicima od karbonskih vlakana."

Postkonzumni PET proizvodi, koji su danas često izvor onečišćenja, mogu se pretvoriti u vrijedne resurse za podršku ekološki održivijem gospodarstvu plastike.

Nije teško zamisliti kako bi to promijenilo priču o plastici: troškovi recikliranja PET-a toliko su niski da ekonomija daje prednost njegovom bacanju u kantu za recikliranje, a ne u smeće. Majica kratkih rukava, prostirka, boca gaziranog soka – sve se stavlja i kao građevni blok započinje njihovo kružno putovanje u stvaranje čišćeg, zelenijeg svijeta.

Udio: