بازیافت آنزیمی PET لباس و فرش، پیش تصفیه را کاهش می دهد یا ارزان تر از تولید نفت است.

محقق ارشد در آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) در ایالات متحده واقعیت این است که اکثر محصولات PET، به ویژه لباس ها و فرش های PET، امروزه با استفاده از تکنیک های بازیافت سنتی بازیافت نمی شوند. جامعه تحقیقاتی در حال توسعه جایگزین‌های امیدوارکننده‌ای است، از جمله آنزیم‌هایی که هدف آنها پلیمریزاسیون PET است، اما حتی این انتخاب‌ها نیز اغلب به مصرف انرژی بالا و مراحل پیش‌درمان هزینه بالا برای موثر بودن متکی هستند.

محققان جافس گاردو (سمت چپ)، اریکا اریکسون (راست) و همکارانش آنزیم هایی را کشف کرده اند که PET کریستالی را تجزیه می کنند، پلاستیکی که در بطری های نوشیدنی یکبار مصرف، فرش ها، لباس ها و بسته بندی مواد غذایی استفاده می شود.

بنابراین، بیشتر PET تولید شده امروز در نهایت وارد مکان های دفن زباله یا محیط زیست می شود - حتی محصولات PET که در واقع وارد ایستگاه های بازیافت می شوند.

با این وجود، بکهام گفت که همه چیز به سرعت در حال تغییر است و روش‌های پیشرفته در یادگیری ماشین و زیست‌شناسی مصنوعی به دانشمندان درک بی‌سابقه‌ای از زیست‌شناسی بنیادی آنزیم‌های ساختارشکن PET داده است. اخیراً، بکهام و همکارانش در دانشگاه پورتسموث و دانشگاه ایالتی مونتانا از این روش‌ها برای کشف انواع آنزیم‌های جدید استفاده کردند، که انتظار می‌رود چالش‌برانگیزترین PET را بدون پیش‌درمانی اضافی تجزیه کنند.

این نه تنها به این معنی است که ما در خط مقدم بازیافت آنزیم برای همه اشکال PET، از جمله فرش و لباس هستیم - بلکه به این معنی است که بازیافت PET ممکن است به زودی ارزان تر از تولید PET از ابتدا با روغن باشد.

— 1 —

آنزیم های پنهان در خاک

مفهوم بازیابی آنزیم در PET از سال 2005 شناخته شده است، اما پس از اینکه دانشمندان ژاپنی به اکتشافات خیره کننده ای دست یافتند، اولین بار در سال 2016 در صحنه جهانی ظاهر شد. آنزیمی که آنها را به آرامی Ideonella sakaiensis می نامند، در خاک خارج از یک مرکز بازیافت در ژاپن مدفون شد. ترشح می کند تا بطری های پلاستیکی نوشیدنی قدیمی پراکنده را بشکند.

طبیعت یک راه حل عالی برای شکستن پیوندهای شیمیایی PET ارائه می دهد. به دلایلی، طبیعت نشان می دهد که چگونه بطری های PET را به اجزای اصلی خود کاهش دهد: اسید ترفتالیک و اتیلن گلیکول.

یک سری مطالعات دنبال شد. دانشمندان در حال تلاش برای تقویت آنزیم های مورد استفاده در فناوری صنعتی برای پردازش میلیون ها تن PET تولید شده در سال هستند. آنها فرض می کنند که در صورت بهبود، پلت فرم بازیافت آنزیم می تواند به طور کامل سیستم های بازیافت ضعیف امروزی را تغییر دهد، انتشار انرژی و گازهای گلخانه ای را کاهش دهد و اقتصاد دایره ای را برای همه محصولات PET - حتی فرش ها و پارچه هایی که با استفاده از فناوری های سنتی قابل بازیافت نیستند، ترویج کند.

جان مک گیهان، دانشمند تیم دانشگاه پورتسموث (UoP) در بریتانیا، گفت: از آنجایی که محققان به پتانسیل استفاده از آنزیم ها برای تجزیه پلاستیک پی برده اند، مقالات جدید از سرتاسر جهان منابع علمی را روشن کرده است. کارشناسان حوزه های مختلف مانند از آنجایی که داروها و سوخت های زیستی می توانند از چندین دهه تجربه تحقیقاتی برای اصلاح آنزیم ها استفاده مجدد کنند

پلت فرم بازیابی آنزیم شرکت NREL/UoP به طور موثر مواد خام پلاستیک PET (سمت چپ) را به واحدهای ساختاری شیمیایی خود تجزیه می کند. نمونه PET در سمت راست پس از هیدرولیز شدن توسط آنزیم های شرکت NREL/UoP، 97.7 درصد از جرم خود را کاهش داد.

رندر سه بعدی DeepMind ویژگی های ساختاری غیرمنتظره ای مانند آنزیم 611 در شکل را نشان داد. تجزیه و تحلیل دقیق علائم ساختاری پروتئین هایی مانند آنزیم 611 می تواند به تیم کمک کند تا عملکرد خود را بهبود بخشد.

این دو مدل محاسباتی با هم به گادو و همکارانش اجازه می‌دهند تا در قلمروی ناشناخته فرافکنی کنند. در کمتر از یک ساعت، آنها بیش از 2 میلیون پروتئین را غربال کردند و فهرست کوتاهی از نامزدهای امیدوارکننده را ایجاد کردند. آزمایشات بیشتر تأیید کرد که 5 نفر قادر به تجزیه PET بودند، 36 مورد که قبلاً در ادبیات علمی توضیح داده نشده بود.

نکته مهم این است که برخی از آنها حتی در تجزیه PET کریستالی بهتر از PET آمورف هستند.

گادو توضیح می دهد: «این آنزیم های جدید نه تنها از نظر ژنتیکی متنوع هستند. آنها ساختارهای متفاوت و هندسه های متفاوتی از مراکز فعال دارند."

گادو می تواند با اطمینان در مورد ساختار 24 آنزیم جدید صحبت کند، زیرا او آنها را شبیه به هم دیده است - حداقل در رندرهای سه بعدی ارائه شده توسط محققان در DeepMind، یکی از شرکت های تابعه Alphabet. DeepMind که برای نقشه برداری از کل جهان پروتئین شناخته شده است، این آنزیم ها را با ابزار یادگیری عمیق خود AlphaFold مشخص کرد، بنابراین تیم می تواند آنزیم ها را در کنار یکدیگر مقایسه کند و تفاوت های آنها را متوجه شود.

همه ابزارها توانایی ساختارشکنی PET را دارند، اما تعدادی از آنها به طرز چشمگیری متفاوت به نظر می رسند. به گفته گادو، رندرهای DeepMind سرنخ‌های ارزشمندی در مورد نحوه عملکرد دکون‌ساختازهای پلاستیکی بر روی PET ارائه می‌دهند.

گادو افزود: روش‌های پیشرفته هوش مصنوعی به ما کمک می‌کنند الگوهایی را در داده‌های آنزیمی پیدا کنیم، که درک ما را از آنچه که آنزیم‌های خوراکی پلاستیکی خوب می‌سازد، افزایش می‌دهد. این به ما امکان می دهد آنزیم ها را با مهندسی پروتئین بهبود بخشیم و آنزیم های دیگری را در طبیعت پیدا کنیم که عملکرد مشابهی دارند.

این یک گام دیگر به جلو برای یک تیم تحقیقاتی پرکار و یک گام دیگر به سمت بازیافت PET در مقیاس بزرگ است.

— 3 —

ارزان تر و سازگارتر با محیط زیست

تجزیه و تحلیل مزایای بازیابی آنزیمی PET را تعیین کرد

به گفته بکهام، تمیز کردن، خرد کردن و گرم کردن - مراحل مورد نیاز برای آماده شدن برای تجزیه PET - از مهمترین عوامل پایداری برای تاسیسات بازیافت آنزیم در مقیاس صنعتی هستند.

او توضیح می دهد: «به حداقل رساندن این مراحل پیش تصفیه برای رقابتی کردن هزینه های بازیابی آنزیم در مقایسه با تولید رزین PET از نفت بسیار مهم است.

دانشمندان دانشگاه NREL و UoP یک پلت فرم آنزیمی مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست ایجاد کرده اند که می تواند به سرعت PET پس از مصرف را به بلوک های سازنده شیمیایی یکسان، اسید ترفتالیک (TPA) و اتیلن گلیکول (EG) تجزیه کند.

در آزمایش‌های بعدی، تیم متوجه شد که برخی از آنزیم‌هایی که با روش یادگیری ماشینی برچسب‌گذاری شده‌اند، به همان اندازه در شکستن PET کریستالی و آمورف مؤثر هستند. این آنزیم ها برای کمک به نرم شدن اتصال پلاستیک ها به هیچ وجه به پیش تصفیه نیاز ندارند.

بکهام افزود: «با حذف پیش تصفیه، این فناوری بازیافت PET در مقیاس صنعتی را امکان پذیر می کند، که در واقع ارزان تر از استفاده از نفت برای تولید PET بکر است. حتی بهتر، می تواند انرژی و گازهای گلخانه ای مرتبط را کاهش دهد.

در مقاله قبلی منتشر شده در Joule، در سال 2021، تیم مزیت های اقتصادی و زیست محیطی استفاده از آنزیم های فعال در PET کریستالی را تعیین کرده بود. در تأسیسات در مقیاس صنعتی، انجام این کار می‌تواند تقاضای انرژی زنجیره تأمین را تا 45 درصد و انتشار گازهای گلخانه‌ای در چرخه حیات را تا 38 درصد در مقایسه با سیستم‌هایی که از پیش تصفیه استفاده می‌کنند، کاهش دهد.

مزایای اقتصادی به همان اندازه چشمگیر است. هنگام دور انداختن فرش‌ها و لباس‌های PET - که با تکنیک‌های معمولی قابل بازیافت نیستند - می‌توانند اسید ترفتالیک را با قیمت کمتر از 1 دلار در هر کیلوگرم تولید کنند. اسید ترفتالیک مشتق شده از نفت در طول تاریخ به قیمت 1 تا 1.50 دلار در هر کیلوگرم فروخته می شد.

اریکا اریکسون، محقق سابق فوق دکتری NREL که بسیاری از کارهای تجربی پشت این مطالعات را انجام داده است، گفت: پلت فرم آنزیمی ما یک انگیزه اقتصادی برای پاکسازی اقیانوس های ما ایجاد می کند. در چنین مقاطع قیمتی، آلودگی PET را می توان با قیمت مقرون به صرفه در محصولات جدید PET بازیافت کرد یا در پره های توربین بادی یا سپرهای فیبر کربن کاربردهای جدیدی پیدا کرد.

محصولات PET پس از مصرف، که اغلب منبع آلودگی امروزی هستند، می توانند به منابع ارزشمندی برای حمایت از اقتصاد پلاستیکی پایدارتر از نظر زیست محیطی تبدیل شوند.

تصور اینکه این موضوع چگونه داستان پلاستیک را تغییر می‌دهد سخت نیست: بازیافت PET به قدری هزینه دارد که اقتصاد به جای انداختن آن در سطل زباله، ترجیح می‌دهد آن را در سطل بازیافت بیاندازد. یک تی شرت، یک فرش، یک بطری نوشابه - همه چیز در آن قرار می گیرد و به عنوان یک بلوک ساختمانی، سفر دایره ای خود را برای ایجاد دنیایی پاک تر و سبزتر آغاز می کنند.