Giysi ve halıların enzimatik PET geri dönüşümü, ön işlemleri azaltır veya petrol üretiminden daha ucuzdur- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'nda (NREL) Kıdemli Araştırmacı Gerçek şu ki çoğu PET ürünü, özellikle de PET giysiler ve halılar, günümüzde geleneksel geri dönüşüm teknikleri kullanılarak geri dönüştürülmüyor. Araştırma topluluğu, PET'in depolimerizasyonunu amaçlayan enzimler de dahil olmak üzere umut verici alternatifler geliştiriyor, ancak bu seçimler bile genellikle yüksek enerji tüketimine ve yüksek maliyetli ön arıtma adımlarına bağlı olarak etkili oluyor.

Araştırmacılar Jaffes Gardo (solda), Erica Erickson (sağda) ve meslektaşları, tek kullanımlık içecek şişelerinde, halılarda, giysilerde ve gıda ambalajlarında kullanılan bir plastik olan kristal PET'i parçalayan enzimleri keşfettiler ve karakterize ettiler.

Bu nedenle, bugün üretilen PET'in çoğu sonuçta çöplüklere veya çevreye karışıyor; hatta geri dönüşüm istasyonlarına giren PET ürünleri bile.

Yine de Beckham, işlerin hızla değiştiğini ve makine öğrenimi ile sentetik biyolojideki gelişmiş yöntemlerin, bilim insanlarına PET yapısökücü enzimlerin temel biyolojisi konusunda benzeri görülmemiş bir anlayış kazandırdığını söyledi. Son zamanlarda, Beckham ve Portsmouth Üniversitesi ile Montana Eyalet Üniversitesi'ndeki meslektaşları, en zorlu PET'i ek ön işleme gerek kalmadan yeniden yapılandırması beklenen yeni enzim varyantlarını keşfetmek için bu yöntemleri kullandılar.

Bu sadece halılar ve giysiler de dahil olmak üzere tüm PET türleri için enzim geri dönüşümünde ön saflarda yer aldığımız anlamına gelmiyor; aynı zamanda PET'in geri dönüştürülmesinin yakında PET'i yağla sıfırdan üretmekten daha ucuz olabileceği anlamına da geliyor.

— 1 —

Toprakta saklı enzimler

PET'te enzim geri kazanımı kavramı 2005'ten beri biliniyor, ancak Japon bilim adamlarının şaşırtıcı keşifler yapmasının ardından 2016'da dünya sahnesine çıktı. Japonya'daki bir geri dönüşüm tesisinin dışındaki toprağa gömülen, sessizce Ideonella sakaiensis adını verdikleri bir enzim dağınık eski plastik içecek şişelerini parçalamak için salgılar.

Doğa, PET'in kimyasal bağlarını kırmak için harika bir çözüm sunuyor. Bazı nedenlerden dolayı doğa, PET şişelerin temel bileşenlerine nasıl indirgenebileceğini gösteriyor: tereftalik asit ve etilen glikol.

Bunu bir dizi çalışma izledi. Bilim insanları, her yıl üretilen milyonlarca ton PET'i işlemek için endüstriyel teknolojide kullanılan enzimleri geliştirmeye çalışıyor. Enzim geri dönüşüm platformunun iyileştirilmesi halinde günümüzün düşük performans gösteren geri dönüşüm sistemlerini tamamen değiştirebileceğini, enerji ve sera gazı emisyonlarını azaltabileceğini ve geleneksel teknolojiler kullanılarak geri dönüştürülemeyen halılar ve kumaşlar dahil olmak üzere tüm PET ürünleri için döngüsel bir ekonomiyi destekleyebileceğini varsayıyorlar.

Birleşik Krallık'taki Portsmouth Üniversitesi (UoP) ekibinden bir bilim insanı olan John McGeehan, araştırmacıların plastikleri parçalamak için enzim kullanma potansiyelini fark etmeleriyle birlikte, dünyanın dört bir yanından gelen yeni makaleler bilimsel literatüre ışık tuttu, "dedi. İlaçlar ve biyoyakıtlar, enzimleri değiştirmek için onlarca yıllık araştırma deneyimini yeniden kullanabileceğinden

NREL/UoP şirketinin enzim geri kazanım platformu, PET plastik hammaddesini (solda) etkili bir şekilde kimyasal yapısal birimlerine ayrıştırıyor. Sağdaki PET numunesi, NREL/UoP firmasının enzimleri tarafından hidrolize edildikten sonra kütle olarak %97,7 oranında azaldı.

Aslında Beckham, McGihan ve meslektaşları, 2018 ile 2021 arasında yayınlanan ve sıklıkla alıntı yapılan bir dizi makalede verimliliklerini altı kat artıran enzimleri tanımladılar ve endüstriyel ölçekte PET geri dönüşümünün çevresel ve ekonomik etkilerini analiz ettiler. İlgili 2022 makalesi, yaşam döngüsünün gelecekteki enzimatik PET geri kazanım sistemleri üzerindeki etkisini değerlendiriyor.

Bu çalışmalar dikkat çekici sonuçlar verdi. PET'i bir biyoreaktörde 48 saat boyunca işleyerek, plastiğin neredeyse yüzde 98'ini tereftalik asit ve etilen glikole (yeni PET şişeler yapmak için kullanılan yüksek kaliteli geri dönüştürülmüş yapı malzemelerine ve hatta ileri plastiklere) dönüştürmenin mümkün olduğunu gösterdiler. geri dönüşümü daha kolaydır.

McGihan, "Bu kadar hızlı büyüyen bir alanda çalışmak inanılmaz bir deneyim" diye ekledi. "İşbirlikçi bilimin, enzim bazlı çözümlerin büyük ölçekli gelişimini ve piyasaya sürülmesini hızlandırma konusunda muazzam bir potansiyele sahip olduğu bir noktaya ulaşıyoruz."

Hızlı ilerlemeye rağmen, endüstriyel ölçekte enzim geri dönüşümünün önünde önemli bir engel beliriyor.

Bu enzim, PET ürünlerinin yalnızca küçük bir yüzdesine, yani "amorf" PET'ten yapılanlara karşı etkilidir. Onları önce yüksek sıcaklıklarla ve ekstra enerjiyle yumuşatmadan, çok yaygın, dayanıklı PET "kristalleri" çeşitlerini yapıbozuma uğratmak için çok çalıştılar. Kristal PET, giysilerdeki polyester elyaflar ve bazı tek kullanımlık içecek şişeleri de dahil olmak üzere tüm PET ürünlerinin neredeyse %90'ını oluşturur.

Bilim adamlarının kristal PET'i parçalamada daha iyi olan enzimlere ihtiyacı var ve umarız kirin içinde saklanan diğer plastik yiyen enzimleri bulabilirler.

— 2 —

Yeni enzimleri "çıkarmak" için makine öğrenimini kullanın

Neyse ki ekibin yeni enzim çeşitleri bulmak için küreğe ihtiyacı yok ve biyoenformatik ve makine öğrenimindeki ilerlemeler, mevcut enzim dizilerinden oluşan geniş bir veri tabanında kristal PET üzerinde aktif olan çeşitli enzimlerin aranmasını mümkün kıldı.

NREL hesaplamalı bilim adamı Japhaus Gado, "Veritabanlarından yeni plastik yiyen enzimler bulmanın geleneksel yöntemleri etkisiz olabilir çünkü kimyasal bileşim açısından çok benzer olan enzimler mutlaka plastik parçalayıcı aktiviteye sahip olmayabilir" dedi.

Bu zorluğun üstesinden gelmek için Gado, bilinen plastik parçalama enzimlerinin biyolojik kurallarını öğrenmek için istatistiksel bir model oluşturdu. Model, şu ana kadar incelenen enzimlerin benzersiz bileşimine olasılıklar atamaktadır. Gado ayrıca endüstriyel uygulamalar için önemli olan enzimlerin ısı toleransını tahmin etmek için destekleyici bir makine öğrenimi modeli oluşturdu.

DeepMind'ın 3 boyutlu görüntüsü, şekildeki 611 enzimi gibi beklenmedik yapısal özellikleri ortaya çıkardı. Enzim 611 gibi proteinlerin yapısal imzalarının dikkatli analizi, ekibin performanslarını artırmasına yardımcı olabilir.

Bu iki hesaplamalı model birlikte, Gado ve meslektaşlarının keşfedilmemiş alanlara projeksiyon yapmasına olanak tanıyor. Bir saatten kısa bir sürede 2 milyondan fazla proteini tarayarak gelecek vaat eden adayların kısa bir listesini oluşturdular. Daha ileri testler, 5'inin, 36'sının daha önce bilimsel literatürde tanımlanmamış olan PET'i yapısöküme uğratabildiğini doğruladı.

Daha da önemlisi, bazıları kristal PET'i parçalamada amorf PET'ten daha iyidir.

Gado, "Bu yeni enzimler yalnızca genetik açıdan çeşitlilik göstermiyor" diye açıklıyor. "Aktif merkezlerin farklı yapıları ve farklı geometrileri var."

Gado, 24 yeni enzimin yapısı hakkında güvenle konuşabiliyor çünkü onların neye benzediğini gördü; en azından Alphabet'in bir yan kuruluşu olan DeepMind'deki araştırmacılar tarafından sağlanan 3 boyutlu görüntülerde. "Tüm protein evrenini" haritalandırmasıyla tanınan DeepMind, bu enzimleri derin öğrenme aracı AlphaFold ile karakterize etti, böylece ekip enzimleri yan yana karşılaştırıp farklılıklarını fark edebildi.

Tüm araçlar PET'in yapısını bozma yeteneğine sahiptir, ancak çarpıcı biçimde farklı görünen birkaç araç da vardır. Gado'ya göre DeepMind'ın görüntüleri, plastik yapısökümlerin PET üzerinde nasıl etki ettiğine dair değerli ipuçları sağlıyor.

Gado, "En son teknolojiye sahip yapay zeka yöntemleri, enzim verilerindeki kalıpları bulmamıza yardımcı oluyor ve bu da iyi plastik yenilebilir enzimlerin ne olduğuna dair anlayışımızı geliştirecek." diye ekledi. "Bu, protein mühendisliğiyle enzimleri geliştirmemize ve doğada benzer performans gösteren diğer enzimleri bulmamıza olanak tanıyacak."

Bu, halihazırda üretken bir araştırma ekibi için ileriye doğru bir adım ve büyük ölçekli PET geri dönüşümüne doğru bir başka adımdır.

— 3 —

Daha ucuz ve daha çevreci

Analiz, enzimatik PET geri kazanımının avantajlarını ölçtü

Beckham'a göre, PET'in ayrışmasına hazırlanmak için gereken adımlar olan temizleme, parçalama ve ısıtma, endüstriyel ölçekli enzim geri dönüşüm tesisleri için en önemli sürdürülebilirlik etkenleri arasında yer alıyor.

"Bu ön arıtma adımlarını en aza indirmek, petrolden PET reçinesi üretmeye kıyasla enzim geri kazanım maliyetlerini rekabetçi hale getirmek için kritik öneme sahiptir" diye açıklıyor.

NREL Üniversitesi ve UoP'deki bilim insanları, tüketici sonrası PET'i hızlı bir şekilde aynı kimyasal yapı bloklarına, tereftalik asit (TPA) ve etilen glikole (EG) parçalayabilen, uygun maliyetli, çevre dostu bir enzimatik platform geliştirdi.

Daha sonraki deneylerde ekip, makine öğrenimi yöntemiyle etiketlenen bazı enzimlerin, kristal ve amorf PET'i parçalamada eşit derecede etkili olduğunu fark etti. Bu enzimler, plastiklerin bağlanmasını yumuşatmak için hiçbir ön işlem gerektirmez.

Beckham, "Ön arıtmayı ortadan kaldıran teknoloji, endüstriyel ölçekte PET geri dönüşümünü mümkün kılıyor; bu da aslında işlenmemiş PET üretmek için petrol kullanmaktan daha ucuz" dedi. "Daha da iyisi, ilgili enerji ve sera gazı emisyonlarını azaltabilir."

Ekip, 2021'de Joule'de yayınlanan daha önceki bir makalede, kristal PET üzerinde aktif enzimlerin kullanılmasının ekonomik ve çevresel avantajlarını ölçmüştü. Endüstriyel ölçekli tesislerde bunu yapmak, ön arıtma kullanan sistemlere kıyasla tedarik zinciri enerji talebini %45 ve yaşam döngüsü sera gazı emisyonlarını %38 oranında azaltabilir.

Ekonomik avantajlar da aynı derecede etkileyicidir. Geleneksel tekniklerle geri dönüştürülemeyen PET halı ve giysileri atarken, kilogram başına 1 dolardan daha az bir fiyata tereftalik asit de üretebiliyorlar. Petrol türevi tereftalik asit geçmişte kilogram başına 1 ila 1,50 dolar arasında satılıyordu.

Bu çalışmaların ardındaki deneysel çalışmaların çoğunu yürüten eski NREL doktora sonrası araştırmacısı Erika Erickson, "Enzim platformumuz okyanuslarımızı temizlemek için ekonomik bir teşvik yaratıyor" dedi. "Bu tür fiyat noktalarında, PET kirliliği uygun bir şekilde yeni PET ürünlerine dönüştürülebilir veya rüzgar türbini kanatlarında veya karbon fiber tamponlarda yeni kullanım alanları bulunabilir."

Genellikle günümüzün kirlilik kaynağı olan tüketici sonrası PET ürünleri, çevresel açıdan daha sürdürülebilir bir plastik ekonomisini desteklemek için değerli kaynaklara dönüştürülebilir.

Bunun plastiğin hikayesini nasıl değiştireceğini hayal etmek zor değil: PET'in geri dönüşüm maliyeti o kadar düşük ki, ekonomi onu çöp yerine geri dönüşüm kutusuna atmayı tercih ediyor. Bir tişört, bir halı, bir soda şişesi; her şey içine konur ve bir yapı taşı olarak daha temiz, daha yeşil bir dünya yaratmak için döngüsel yolculuklarına başlarlar.

Paylaşmak: