Enzymatisk PET-återvinning av kläder och mattor minskar förbehandlingen eller är billigare än petroleumtillverkning

Seniorforskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) i USA Verkligheten är att de flesta PET-produkter, särskilt PET-kläder och mattor, inte återvinns med traditionella återvinningstekniker idag. Forskarvärlden utvecklar lovande alternativ, inklusive enzymer som syftar till att depolymerisera PET, men även dessa val är ofta beroende av hög energiförbrukning och höga förbehandlingssteg för att vara effektiva

Forskarna Jaffes Gardo (till vänster), Erica Erickson (höger) och kollegor har upptäckt och karakteriserat enzymer som bryter ned kristallint PET, en plast som används i engångsdryckersflaskor, mattor, kläder och livsmedelsförpackningar.

Därför hamnar det mesta av den PET som produceras idag i slutändan deponier eller miljön – även PET-produkter som faktiskt går in på återvinningsstationer.

Trots det sa Beckham att saker och ting förändras snabbt, och avancerade metoder inom maskininlärning och syntetisk biologi har gett forskare en aldrig tidigare skådad förståelse av den grundläggande biologin hos PET-dekonstruktiva enzymer. Nyligen använde Beckham och hans kollegor vid University of Portsmouth och Montana State University dessa metoder för att upptäcka nya enzymvarianter, som förväntas dekonstruera den mest utmanande PET utan ytterligare förbehandling.

Det betyder inte bara att vi ligger i framkant när det gäller enzymåtervinning för alla former av PET, inklusive mattor och kläder – det betyder också att återvinning av PET snart kan bli billigare än att tillverka PET från grunden med olja.

— 1 —

Enzymer gömda i jorden

Konceptet med enzymåtervinning i PET har varit känt sedan 2005, men efter att japanska forskare gjort häpnadsväckande upptäckter gjorde det sin debut på världsscenen 2016. Nedgrävt i jorden utanför en återvinningsanläggning i Japan, ett enzym som de i tysthet kallar Ideonella sakaiensis utsöndrar för att bryta ner spridda gamla dryckesflaskor av plast.

Naturen erbjuder en bra lösning för att bryta de kemiska bindningarna av PET. Av någon anledning visar naturen hur man kan reducera PET-flaskor till sina baskomponenter: tereftalsyra och etylenglykol.

En serie studier följde. Forskare försöker förbättra enzymerna som används i industriell teknik för att bearbeta miljontals ton PET som produceras årligen. De antar att om den förbättras kan enzymåtervinningsplattformen helt förändra dagens underpresterande återvinningssystem, minska utsläppen av energi och växthusgaser och främja en cirkulär ekonomi för alla PET-produkter – även mattor och tyger som inte kan återvinnas med traditionell teknik.

När forskare inser potentialen med att använda enzymer för att bryta ner plast, har nya tidningar från hela världen lyst upp vetenskaplig litteratur, säger John McGeehan, en forskare vid University of Portsmouth (UoP) team i Storbritannien. Experter från olika områden, t.ex. eftersom läkemedel och biobränslen kan återanvända årtionden av forskningserfarenhet för att modifiera enzymer

NREL/UoP-företagets enzymåtervinningsplattform bryter effektivt ner PET-plastråvara (vänster) till sina kemiska strukturella enheter. PET-provet till höger minskade i massa med 97,7% efter att ha hydrolyserats av enzymer från NREL/UoP-företaget.

DeepMinds 3D-rendering avslöjade oväntade strukturella egenskaper, såsom enzymet 611 i figuren. Noggrann analys av de strukturella signaturerna hos proteiner som enzym 611 kan hjälpa laget att förbättra sin prestation.

Tillsammans tillåter dessa två beräkningsmodeller Gado och hans kollegor att projicera in i okänt territorium. På mindre än en timme screenade de mer än 2 miljoner proteiner, vilket skapade en kort lista med lovande kandidater. Ytterligare tester bekräftade att 5 kunde dekonstruera PET, 36 som inte tidigare beskrivits i den vetenskapliga litteraturen.

Viktigt är att vissa är ännu bättre på att bryta ner kristallint PET än amorft PET.

"Dessa nya enzymer är inte bara genetiskt olika," förklarar Gado. "De har olika strukturer och olika geometrier för de aktiva centran."

Gado kan med tillförsikt prata om strukturen hos de 24 nya enzymerna eftersom han har sett dem se ut - åtminstone i 3D-renderingarna som tillhandahålls av forskare vid DeepMind, ett dotterbolag till Alphabet. Känd för att kartlägga "hela proteinuniversumet" karakteriserade DeepMind dessa enzymer med sitt verktyg för djupinlärning, AlphaFold, så att teamet kunde jämföra enzymerna sida vid sida och märka deras skillnader.

Alla verktyg har förmågan att dekonstruera PET, men det finns några som ser slående annorlunda ut. Enligt Gado ger DeepMinds renderingar värdefulla ledtrådar om hur plastdekonstruktaser verkar på PET.

"State-of-the-art AI-metoder hjälper oss att hitta mönster i enzymdata, vilket kommer att förbättra vår förståelse för vad som gör bra ätbara plastenzymer", tillade Gado. "Detta kommer att tillåta oss att förbättra enzymer med proteinteknik och hitta andra enzymer i naturen som fungerar på liknande sätt."

Detta är ytterligare ett steg framåt för en redan produktiv forskargrupp och ytterligare ett steg mot storskalig PET-återvinning.

— 3 —

Billigare och mer miljövänligt

Analysen kvantifierade fördelarna med enzymatisk PET-återvinning

Enligt Beckham är rengöring, rivning och uppvärmning – stegen som krävs för att förbereda nedbrytningen av PET – bland de viktigaste hållbarhetsdrivkrafterna för enzymåtervinningsanläggningar i industriell skala.

"Att minimera dessa förbehandlingssteg är avgörande för att göra enzymåtervinningskostnaderna konkurrenskraftiga jämfört med att producera PET-harts från petroleum", förklarar han.

Forskare vid NREL University och UoP har utvecklat en kostnadseffektiv, miljövänlig enzymatisk plattform som snabbt kan bryta ner post-consumer PET till identiska kemiska byggstenar, tereftalsyra (TPA) och etylenglykol (EG).

I efterföljande experiment märkte teamet att vissa enzymer märkta med deras maskininlärningsmetod var lika effektiva för att bryta ner kristallint och amorft PET. Dessa enzymer kräver ingen förbehandling alls för att hjälpa till att mjuka upp bindningen av plast.

"Genom att eliminera förbehandling möjliggör tekniken PET-återvinning i industriell skala, vilket faktiskt är billigare än att använda petroleum för att producera jungfrulig PET", sa han tillade Beckham. "Ännu bättre, det kan minska tillhörande energi- och växthusgasutsläpp."

I en tidigare artikel publicerad i Joule, 2021, hade teamet kvantifierat de ekonomiska och miljömässiga fördelarna med att använda aktiva enzymer på kristallint PET. I industriella anläggningar kan detta minska energibehovet i leveranskedjan med 45 % och utsläppen av växthusgaser under hela livscykeln med 38 % jämfört med system som använder förbehandling.

De ekonomiska fördelarna är lika imponerande. När de kasserar PET-mattor och kläder - som inte kan återvinnas med konventionella tekniker - kan de också producera tereftalsyra för mindre än 1 dollar per kilogram. Petroleumhärledd tereftalsyra har historiskt sett sålts för $1 till $1,50 per kilogram.

"Vår enzymplattform skapar ett ekonomiskt incitament att rena våra hav", säger Erika Erickson, en före detta NREL-postdoktor som utförde mycket av det experimentella arbetet bakom dessa studier. "Till sådana prislägen kan PET-kontamination till ett överkomligt pris återvinnas till nya PET-produkter eller hitta nya användningsområden i vindkraftverksblad eller kolfiberstötfångare."

Post-consumer PET-produkter, ofta dagens källa till föroreningar, kan omvandlas till värdefulla resurser för att stödja en mer miljömässigt hållbar plastekonomi.

Det är inte svårt att föreställa sig hur detta skulle förändra historien om plast: PET-återvinningskostnaderna är så låga att ekonomin föredrar att slänga det i papperskorgen snarare än soporna. En t-shirt, en matta, en läskflaska – allt läggs i och som en byggsten, påbörja sin cirkulära resa för att skapa en renare, grönare värld.