Ферменты могут сделать переработку отходов текстиля и бутылок дешевле

Прочитано: 55 раз(а)


Ферменты могут сделать переработку отходов текстиля и бутылок из полиэстера дешевле, чем их производство из нефти.

Что общего между футболкой, ковриком и бутылкой газировки? Многие из них сделаны из полиэтилентерефталата (ПЭТ), повсеместно распространенного пластика, который произвел революцию в индустрии материалов после того, как был запатентован в 1940-х годах.

Созданный в результате переработки нефти, ПЭТ является материалом, известным своей долговечностью и универсальностью. Его легко формовать в герметичные контейнеры, вплетать в прочные ковры или вплетать в одежду из полиэстера.

«Реальность такова, что большинство продуктов из ПЭТ, особенно одежда и ковровые покрытия из ПЭТ, сегодня не перерабатываются с использованием обычных технологий переработки », — пояснил Грегг Бекхэм, старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и генеральный директор Министерства энергетики США BOTTLE. Консорциум. « Исследовательское сообщество разрабатывает многообещающие альтернативы, в том числе ферменты, предназначенные для деполимеризации ПЭТ, но даже эти варианты, как правило, опираются на энергоемкие и дорогостоящие этапы предварительной обработки, чтобы быть эффективными».

Ферменты могут сделать переработку отходов текстиля и бутылок дешевле

В результате большая часть ПЭТ, производимого сегодня, в конечном итоге оказывается на свалках или в окружающей среде — даже ПЭТ-продукты, которые фактически попадают в мусорный бак.

Тем не менее, Бекхэм сказал, что повествование быстро меняется. Передовые методы машинного обучения и синтетической биологии дали ученым беспрецедентный взгляд на фундаментальную биологию ферментов, разрушающих ПЭТ. Как подробно описано в статье, опубликованной в Nature Communications , Бекхэм и его коллеги из Университета Портсмута и Университета штата Монтана использовали эти методы для обнаружения новых вариантов ферментов, которые обещают деконструировать даже самый прочный ПЭТ без дополнительной предварительной обработки.

Это может означать не только то, что мы находимся на пороге ферментативной переработки всех видов ПЭТ, включая ковровые покрытия и одежду, но и то, что скоро переработка ПЭТ может стать дешевле, чем его производство с нуля из нефти.

Необычные ферменты, спрятанные в грязи

Концепция ферментативной переработки ПЭТ известна с 2005 года, но на мировую арену она вышла в 2016 году после того, как японские ученые сделали неожиданное открытие. Бактерия, которую они назвали Ideonella sakaiensis, закопанная в грязи возле предприятия по переработке отходов в Японии, незаметно выделяла ферменты, которые разлагали старые пластиковые бутылки из-под напитков, разбросанные повсюду.

Природа предоставила элегантное решение для разрыва химических связей ПЭТФ. Каким-то образом природа показала, как превратить ПЭТ-бутылки обратно в основные компоненты, из которых они были сделаны: терефталевую кислоту и этиленгликоль.

Затем последовал шквал исследований. Ученые стремились усовершенствовать ферменты для использования в промышленных технологиях, способных обрабатывать миллионы тонн ПЭТ, производимых каждый год. Они предположили, что в случае усовершенствования платформа ферментативной переработки могла бы перестроить сегодняшние неэффективные системы переработки, сократить выбросы энергии и парниковых газов и способствовать экономике замкнутого цикла для всех продуктов из ПЭТ, даже для ковров и тканей, которые не подлежат переработке с помощью традиционных технологий.

«Научная литература запестрела новыми статьями со всего мира, поскольку исследователи осознали потенциал использования ферментов для разрушения пластика», — сказал Джон МакГихан, ученый, который руководил вкладом группы из Портсмутского университета (UoP) в Соединенное Королевство. «Эксперты из таких разных областей, как фармацевтика и биотопливо, смогли перепрофилировать многолетний опыт исследований в области разработки ферментов».

Действительно, Бекхэм, МакГихан и их коллеги сами были ключевыми игроками в глобальных усилиях по улучшению ферментативной переработки ПЭТ. В серии часто цитируемых статей, опубликованных в период с 2018 по 2021 год, команда охарактеризовала ферменты, повысила их эффективность в шесть раз и проанализировала экологические и экономические последствия промышленной переработки ПЭТ. В соответствующем документе 2022 года оценивается влияние на жизненный цикл будущей системы ферментативной переработки ПЭТ.

Эти исследования принесли измеримые результаты. Обрабатывая ПЭТ в течение 48 часов в биореакторе, они показали, что можно превратить почти 98% пластика обратно в терефталевую кислоту и этиленгликоль — высококачественные переработанные строительные блоки для изготовления новых ПЭТ-бутылок или даже передовых пластиков, предназначенных для более длительного использования. легко перерабатывается.

«Это был невероятный опыт — работать в сфере, которая так быстро расширялась», — добавил МакГихан. «Мы приближаемся к моменту, когда совместная наука имеет огромный потенциал для ускорения разработки и внедрения решений на основе ферментов в больших масштабах».

Однако, несмотря на быстрый прогресс, на пути промышленной ферментативной переработки вырисовывался ключевой барьер.

Ферменты были эффективны только для небольшого процента ПЭТ-продуктов, изготовленных из «аморфного» ПЭТ. Они изо всех сил пытались разрушить широко распространенные прочные «кристаллические» разновидности ПЭТ без предварительного размягчения их с помощью высокой температуры и дополнительной энергии. Кристаллический ПЭТ составляет почти 90% всего производимого ПЭТ, включая полиэфирные волокна в одежде и детали одноразовых бутылок для напитков.

Ученым нужны были ферменты, способные лучше расщеплять кристаллический ПЭТ. Если бы они только могли найти другие ферменты, поедающие пластик, спрятанные где-нибудь в грязи.

«Копаем» новые ферменты с помощью машинного обучения

К счастью, команде не понадобилась лопата, чтобы выкапывать новые разновидности ферментов. Достижения в области биоинформатики и машинного обучения уже сделали возможным поиск обширных баз данных существующих последовательностей ферментов для разновидностей, активных на кристаллическом ПЭТ.

«Традиционные подходы к отображению новых ферментов, поедающих пластик, из баз данных могут быть неэффективными, поскольку ферменты, которые очень похожи по своему химическому составу, не обязательно сохраняют активность по деконструкции пластика», — сказал специалист по вычислительной технике NREL Джафет Гадо.

Чтобы обойти эту проблему, Гадо построил статистическую модель для изучения биологических правил действия известных ферментов, разрушающих пластик. Модель приписывала вероятности уникальному составу ферментов, изученных на сегодняшний день. Гадо также создал сопутствующую модель машинного обучения для прогнозирования термостойкости ферментов, что важно для промышленных применений.

Вместе две вычислительные модели позволяют Гадо и его коллегам заглянуть в неизвестное. Менее чем за час они проверили более 250 миллионов белков, чтобы составить краткий список перспективных кандидатов. Дальнейшее тестирование подтвердило, что 36 из них способны разрушать ПЭТ, а 24 ранее не были описаны в научной литературе.

Важно отметить, что некоторые из них разрушали кристаллический ПЭТ даже лучше, чем аморфный ПЭТ.

«Эти новые ферменты не только генетически разнообразны, — объяснил Гадо. «Они структурно разнообразны с различной геометрией активных участков».

Гадо может уверенно говорить о структуре 24 новых ферментов, потому что он видел, как они выглядят, по крайней мере, в 3D-изображениях, предоставленных исследователями из DeepMind, дочерней компании Alphabet. Компания DeepMind, известная тем, что картировала «всю белковую вселенную» с помощью своего инструмента глубокого обучения AlphaFold, охарактеризовала ферменты, чтобы команда могла сравнивать ферменты рядом и отмечать их различия.

Все они были способны деконструировать ПЭТ, но некоторые из них разительно отличались друг от друга. По словам Гадо, визуализация DeepMind дает бесценную информацию о том, как ферменты, разрушающие пластик, действуют на ПЭТ.

«Современные методы искусственного интеллекта помогают нам находить закономерности в данных о ферментах, что обеспечит лучшее понимание того, что делает фермент хорошим поедающим пластик », — добавил Гадо. «Это позволит нам улучшить ферменты с помощью белковой инженерии и найти другие ферменты в природе, которые схожи с точки зрения производительности».

Это было еще одним достижением и без того плодовитой исследовательской группы и еще на один шаг ближе к масштабной переработке ПЭТ.

Дешевле и экологичнее: анализ дает количественную оценку преимуществ ферментативной переработки ПЭТ

По словам Бекхэма, очистка, измельчение и нагревание — шаги, необходимые для подготовки ПЭТ к деконструкции, — являются одними из наиболее важных факторов устойчивого развития предприятия по ферментативной переработке в промышленных масштабах.

«Сведение к минимуму этих этапов предварительной обработки имеет решающее значение для того, чтобы стоимость ферментативной переработки была конкурентоспособной по сравнению с созданием ПЭТ-смолы из нефти», — пояснил он.

В последующих экспериментах команда отметила, что некоторые из ферментов, отмеченных их методами машинного обучения, были одинаково эффективны при разрушении кристаллического и аморфного ПЭТ. Эти ферменты просто не нуждались в предварительной обработке, чтобы смягчить связи пластика.

«За счет отказа от предварительной обработки технология может обеспечить переработку ПЭТ в промышленных масштабах, что на самом деле дешевле, чем производство первичного ПЭТ с использованием нефти», — добавил Бекхэм. «Более того, это может снизить попутную энергию и выбросы парниковых газов».

В более ранней статье, опубликованной в журнале Joule в 2021 году, команда уже провела количественную оценку экономических и экологических преимуществ использования ферментов, активных на кристаллическом ПЭТ. На промышленном объекте это может снизить потребность в энергии в цепочке поставок на 45 % и выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла на 38 % по сравнению с системами, использующими предварительную обработку.

Экономические преимущества также впечатляют. При переработке отходов ковровых покрытий и одежды из ПЭТ, не поддающихся переработке с помощью обычных технологий, они также могут производить терефталевую кислоту по цене менее 1 доллара за килограмм. Терефталевая кислота, полученная из нефти, исторически продавалась по цене от 1 до 1,50 доллара за килограмм.

«Наша ферментативная платформа создает экономический стимул для очистки наших океанов», — сказала Эрика Эриксон, бывший научный сотрудник NREL, которая провела большую часть экспериментальной работы, лежащей в основе исследований. «При такой цене загрязнение ПЭТ может быть доступно переработано в новые продукты из ПЭТ или найти новое применение в лопастях ветряных турбин или бамперах из углеродного волокна».

Бывшие в употреблении ПЭТ-продукты, которые сегодня часто являются источником загрязнения, могут быть преобразованы в ценные ресурсы для поддержки более экологически устойчивой экономики пластмасс.

Нетрудно представить, как это может перевернуть повествование о пластике: ПЭТ настолько дешев в переработке, что экономика предпочитает выбрасывать его в корзину для вторичной переработки, а не в мусорное ведро. Футболка, ковер, бутылка из-под газировки — все это входит и начинает свое круговое путешествие в качестве строительных блоков для создания более чистого и зеленого мира.

Ферменты могут сделать переработку отходов текстиля и бутылок дешевле



Новости партнеров