Tái chế quần áo và thảm bằng enzyme PET giúp giảm tiền xử lý hoặc rẻ hơn so với sản xuất dầu mỏ- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Nhà nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) ở Hoa Kỳ Thực tế là hầu hết các sản phẩm PET, đặc biệt là quần áo và thảm PET, hiện nay không được tái chế bằng các kỹ thuật tái chế truyền thống. Cộng đồng nghiên cứu đang phát triển các giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, bao gồm các enzyme nhằm mục đích khử polyme PET, nhưng ngay cả những lựa chọn này cũng thường dựa vào mức tiêu thụ năng lượng cao và các bước tiền xử lý chi phí cao để có hiệu quả.

Các nhà nghiên cứu Jaffes Gardo (trái), Erica Erickson (phải) và các đồng nghiệp đã phát hiện và mô tả các enzym phân hủy tinh thể PET, một loại nhựa được sử dụng trong chai nước giải khát dùng một lần, thảm, quần áo và bao bì thực phẩm.

Do đó, hầu hết PET được sản xuất ngày nay cuối cùng đều đi vào bãi chôn lấp hoặc môi trường - thậm chí cả các sản phẩm PET thực sự đi vào các trạm tái chế.

Tuy nhiên, Beckham cho biết mọi thứ đang thay đổi nhanh chóng và các phương pháp tiên tiến trong học máy và sinh học tổng hợp đã mang lại cho các nhà khoa học sự hiểu biết chưa từng có về sinh học cơ bản của enzyme phân hủy PET. Gần đây, Beckham và các đồng nghiệp của ông tại Đại học Portsmouth và Đại học bang Montana đã sử dụng các phương pháp này để khám phá các biến thể enzyme mới, được kỳ vọng sẽ giải cấu trúc PET khó khăn nhất mà không cần xử lý trước.

Điều này không chỉ có nghĩa là chúng tôi đang đi đầu trong việc tái chế enzyme cho tất cả các dạng PET, bao gồm thảm và quần áo - mà còn có nghĩa là việc tái chế PET có thể sẽ sớm rẻ hơn so với việc sản xuất PET từ đầu bằng dầu.

— 1 —

Enzyme ẩn trong đất

Khái niệm thu hồi enzyme trong PET đã được biết đến từ năm 2005, nhưng sau khi các nhà khoa học Nhật Bản có những khám phá đáng kinh ngạc, nó đã xuất hiện lần đầu trên trường thế giới vào năm 2016. Được chôn trong đất bên ngoài một cơ sở tái chế ở Nhật Bản, một loại enzyme mà họ gọi là Ideonella sakaiensis một cách lặng lẽ tiết ra để phá vỡ các chai nước giải khát bằng nhựa cũ nằm rải rác.

Thiên nhiên cung cấp một giải pháp tuyệt vời để phá vỡ các liên kết hóa học của PET. Vì lý do nào đó, thiên nhiên đang chứng minh cách giảm chai PET thành các thành phần cơ bản của chúng: axit terephthalic và ethylene glycol.

Một loạt các nghiên cứu sau đó. Các nhà khoa học đang cố gắng tăng cường các enzyme được sử dụng trong công nghệ công nghiệp để xử lý hàng triệu tấn PET được sản xuất hàng năm. Họ cho rằng nếu được cải tiến, nền tảng tái chế enzyme có thể thay đổi hoàn toàn các hệ thống tái chế kém hiệu quả hiện nay, giảm phát thải năng lượng và khí nhà kính, đồng thời thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn cho tất cả các sản phẩm PET - ngay cả thảm và vải không thể tái chế bằng công nghệ truyền thống.

Khi các nhà nghiên cứu nhận ra tiềm năng của việc sử dụng enzym để phân hủy nhựa, các bài báo mới từ khắp nơi trên thế giới đã làm sáng tỏ tài liệu khoa học”, John McGeehan, nhà khoa học thuộc nhóm Đại học Portsmouth (UoP) ở Anh, cho biết. vì dược phẩm và nhiên liệu sinh học có thể tái sử dụng kinh nghiệm nghiên cứu hàng thập kỷ để biến đổi enzyme

Nền tảng thu hồi enzyme của công ty NREL/UoP phân hủy hiệu quả nguyên liệu nhựa PET (trái) thành các đơn vị cấu trúc hóa học. Mẫu PET bên phải giảm khối lượng 97,7% sau khi thủy phân bằng enzyme của công ty NREL/UoP.

Trên thực tế, trong một loạt bài báo được trích dẫn thường xuyên được xuất bản từ năm 2018 đến năm 2021, Beckham, McGihan và các đồng nghiệp của họ đã mô tả các enzyme giúp tăng hiệu quả của chúng lên hệ số sáu và phân tích các tác động kinh tế và môi trường của việc tái chế PET ở quy mô công nghiệp. Bài báo tương ứng năm 2022 đánh giá tác động của vòng đời đối với các hệ thống thu hồi PET bằng enzym trong tương lai.

Những nghiên cứu này đã mang lại kết quả đáng chú ý. Bằng cách xử lý PET trong lò phản ứng sinh học trong 48 giờ, họ cho thấy có thể chuyển đổi gần 98% nhựa thành axit terephthalic và ethylene glycol – vật liệu xây dựng tái chế chất lượng cao được sử dụng để sản xuất chai PET mới và thậm chí cả nhựa tiên tiến. dễ dàng tái chế hơn.

McGihan nói thêm: “Làm việc trong một lĩnh vực đang phát triển nhanh chóng là một trải nghiệm đáng kinh ngạc. “Chúng ta đang đạt đến điểm mà khoa học hợp tác có tiềm năng to lớn để đẩy nhanh quá trình phát triển và triển khai quy mô lớn các giải pháp dựa trên enzyme”.

Mặc dù có tiến bộ nhanh chóng nhưng rào cản chính đối với việc tái chế enzyme ở quy mô công nghiệp vẫn hiện ra.

Enzyme này chỉ có hiệu quả đối với một tỷ lệ nhỏ các sản phẩm PET - những sản phẩm được làm từ PET "vô định hình". Trước tiên không làm mềm chúng bằng nhiệt độ cao và thêm năng lượng, họ đã làm việc chăm chỉ để giải mã các loại "tinh thể" PET rất phổ biến và bền bỉ. PET tinh thể chiếm gần 90% tổng số sản phẩm PET, bao gồm cả sợi polyester trong quần áo và một số chai nước giải khát dùng một lần.

Các nhà khoa học cần các enzyme có khả năng phân hủy PET tinh thể tốt hơn và hy vọng họ có thể tìm thấy các enzyme ăn nhựa khác ẩn trong bụi bẩn.

— 2 —

Sử dụng máy học để "khai thác" enzyme mới

May mắn thay, nhóm nghiên cứu không cần xẻng để khai thác các loại enzyme mới, và những tiến bộ trong tin sinh học và học máy đã giúp tìm kiếm nhiều loại enzyme hoạt động trên PET tinh thể trong cơ sở dữ liệu rộng lớn về các chuỗi enzyme hiện có.

Nhà khoa học tính toán Japhaus Gado của NREL cho biết: “Các phương pháp truyền thống để tìm kiếm các enzyme ăn nhựa mới từ cơ sở dữ liệu có thể không hiệu quả vì các enzyme có thành phần hóa học rất giống nhau không nhất thiết phải duy trì hoạt động phá hủy nhựa”.

Để giải quyết thách thức này, Gado đã xây dựng một mô hình thống kê để tìm hiểu các quy luật sinh học của các enzyme phân hủy nhựa đã biết. Mô hình gán xác suất cho thành phần độc đáo của các enzyme được nghiên cứu cho đến nay. Gado cũng xây dựng một mô hình máy học hỗ trợ để dự đoán khả năng chịu nhiệt của enzyme, mô hình này rất quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp.

Kết xuất 3D của DeepMind tiết lộ những đặc điểm cấu trúc bất ngờ, chẳng hạn như enzyme 611 trong hình. Việc phân tích cẩn thận các dấu hiệu cấu trúc của protein như enzyme 611 có thể giúp nhóm nghiên cứu cải thiện hiệu suất của chúng.

Cùng với nhau, hai mô hình tính toán này cho phép Gado và các đồng nghiệp của anh ấy chiếu vào lãnh thổ chưa được khám phá. Trong vòng chưa đầy một giờ, họ đã sàng lọc hơn 2 triệu protein, tạo ra danh sách ngắn các ứng cử viên đầy triển vọng. Thử nghiệm sâu hơn đã xác nhận rằng 5 loại có thể giải mã PET, 36 loại mà trước đây chưa được mô tả trong tài liệu khoa học.

Điều quan trọng là một số thậm chí còn có khả năng phân hủy PET kết tinh tốt hơn PET vô định hình.

Gado giải thích: “Những enzyme mới này không chỉ đa dạng về mặt di truyền”. “Chúng có cấu trúc khác nhau và hình dạng khác nhau của các trung tâm hoạt động.”

Gado có thể tự tin nói về cấu trúc của 24 loại enzyme mới vì anh đã nhìn thấy chúng trông giống như vậy - ít nhất là trong bản kết xuất 3D do các nhà nghiên cứu tại DeepMind, một công ty con của Alphabet cung cấp. Được biết đến với việc lập bản đồ "toàn bộ vũ trụ protein", DeepMind đã mô tả các enzyme này bằng công cụ học sâu AlphaFold, để nhóm có thể so sánh các enzyme cạnh nhau và nhận thấy sự khác biệt của chúng.

Tất cả các công cụ đều có khả năng giải cấu trúc PET, nhưng có một số công cụ trông rất khác biệt. Theo Gado, kết xuất của DeepMind cung cấp manh mối có giá trị về cách hoạt động của các chất giải cấu trúc nhựa trên PET.

Gado cho biết thêm: “Các phương pháp AI tiên tiến giúp chúng tôi tìm ra các mẫu trong dữ liệu enzyme, điều này sẽ nâng cao hiểu biết của chúng tôi về điều gì tạo nên các enzyme ăn được bằng nhựa tốt”. “Điều này sẽ cho phép chúng tôi cải tiến enzyme bằng kỹ thuật protein và tìm ra các enzyme khác trong tự nhiên có hoạt động tương tự”.

Đây là một bước tiến nữa của một nhóm nghiên cứu vốn đã thành công và là một bước tiến nữa hướng tới tái chế PET quy mô lớn.

— 3 —

Rẻ hơn và thân thiện với môi trường hơn

Phân tích đã định lượng những lợi thế của việc thu hồi PET bằng enzyme

Theo Beckham, làm sạch, băm nhỏ và gia nhiệt – các bước cần thiết để chuẩn bị cho quá trình phân hủy PET – là một trong những động lực bền vững quan trọng nhất đối với các cơ sở tái chế enzyme quy mô công nghiệp.

Ông giải thích: “Việc giảm thiểu các bước tiền xử lý này là rất quan trọng để giúp chi phí thu hồi enzyme cạnh tranh hơn so với sản xuất nhựa PET từ dầu mỏ”.

Các nhà khoa học tại Đại học NREL và UoP đã phát triển một nền tảng enzyme thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí, có thể nhanh chóng phân hủy PET sau tiêu dùng thành các khối hóa học giống hệt nhau, axit terephthalic (TPA) và ethylene glycol (EG).

Trong các thí nghiệm tiếp theo, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng một số enzyme được dán nhãn bằng phương pháp học máy của họ có hiệu quả như nhau trong việc phá vỡ PET tinh thể và vô định hình. Những enzyme này hoàn toàn không cần xử lý trước để giúp làm mềm liên kết của nhựa.

Ông Beckham cho biết thêm: “Bằng cách loại bỏ tiền xử lý, công nghệ này cho phép tái chế PET ở quy mô công nghiệp, thực sự rẻ hơn so với việc sử dụng dầu mỏ để sản xuất PET nguyên chất”. Thậm chí còn tốt hơn nữa, nó có thể làm giảm năng lượng liên quan và phát thải khí nhà kính.”

Trong một bài báo trước đó được xuất bản trên Joule, vào năm 2021, nhóm nghiên cứu đã định lượng được lợi ích kinh tế và môi trường của việc sử dụng enzyme hoạt động trên PET tinh thể. Ở các cơ sở quy mô công nghiệp, làm như vậy có thể giảm 45% nhu cầu năng lượng của chuỗi cung ứng và giảm 38% lượng phát thải khí nhà kính trong vòng đời so với các hệ thống sử dụng tiền xử lý.

Những lợi ích kinh tế cũng ấn tượng không kém. Khi loại bỏ thảm và quần áo PET - những thứ không thể tái chế bằng kỹ thuật thông thường - chúng cũng có thể tạo ra axit terephthalic với giá dưới 1 USD/kg. Axit terephthalic có nguồn gốc từ dầu mỏ trước đây được bán với giá từ 1 đến 1,5 USD/kg.

Erika Erickson, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ NREL, người đã thực hiện phần lớn công việc thử nghiệm đằng sau những nghiên cứu này, cho biết: “Nền tảng enzyme của chúng tôi tạo ra động lực kinh tế để làm sạch đại dương”. “Ở mức giá như vậy, ô nhiễm PET có thể được tái chế thành các sản phẩm PET mới hoặc tìm ra những ứng dụng mới trong cánh tuabin gió hoặc bộ cản bằng sợi carbon.”

Các sản phẩm PET sau tiêu dùng, thường là nguồn gây ô nhiễm ngày nay, có thể được biến thành nguồn tài nguyên quý giá để hỗ trợ nền kinh tế nhựa bền vững hơn với môi trường.

Không khó để tưởng tượng điều này sẽ thay đổi câu chuyện về nhựa như thế nào: Chi phí tái chế PET thấp đến mức nền kinh tế ủng hộ việc ném nó vào thùng tái chế hơn là thùng rác. Một chiếc áo phông, một tấm thảm, một chai soda – mọi thứ đều được đặt vào và như một khối xây dựng, chúng bắt đầu hành trình vòng tròn để tạo ra một thế giới sạch hơn, xanh hơn.

Chia sẻ: