El reciclaje enzimático de PET de ropa y alfombras reduce el tratamiento previo o es más económico que la fabricación con petróleo- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Investigador principal del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de Estados Unidos La realidad es que la mayoría de los productos de PET, especialmente la ropa y las alfombras de PET, no se reciclan utilizando técnicas de reciclaje tradicionales en la actualidad. La comunidad de investigación está desarrollando alternativas prometedoras, incluidas enzimas destinadas a despolimerizar el PET, pero incluso estas opciones a menudo dependen de un alto consumo de energía y pasos previos de alto costo para ser efectivas.

Los investigadores Jaffes Gardo (izquierda), Erica Erickson (derecha) y sus colegas han descubierto y caracterizado enzimas que degradan el PET cristalino, un plástico utilizado en botellas de bebidas desechables, alfombras, ropa y envases de alimentos.

Por lo tanto, la mayor parte del PET que se produce hoy acaba acabando en los vertederos o en el medio ambiente, incluso los productos de PET que acaban acabando en las estaciones de reciclaje.

Sin embargo, Beckham dijo que las cosas están cambiando rápidamente y que los métodos avanzados en aprendizaje automático y biología sintética han brindado a los científicos una comprensión sin precedentes de la biología fundamental de las enzimas deconstructivas del PET. Recientemente, Beckham y sus colegas de la Universidad de Portsmouth y la Universidad Estatal de Montana utilizaron estos métodos para descubrir nuevas variantes enzimáticas, que se espera deconstruyan el PET más desafiante sin tratamiento previo adicional.

Esto no sólo significa que estamos a la vanguardia del reciclaje de enzimas para todas las formas de PET, incluidas las alfombras y la ropa, sino que también significa que reciclar PET pronto será más barato que fabricar PET desde cero con aceite.

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Enzimas escondidas en el suelo.

El concepto de recuperación de enzimas en PET se conoce desde 2005, pero después de que científicos japoneses hicieran descubrimientos sorprendentes, hizo su debut en el escenario mundial en 2016. Enterrada en el suelo fuera de una instalación de reciclaje en Japón, una enzima a la que llaman silenciosamente Ideonella sakaiensis Secretos para descomponer viejas botellas de plástico de bebidas esparcidas.

La naturaleza proporciona una gran solución para romper los enlaces químicos del PET. Por alguna razón, la naturaleza está demostrando cómo reducir las botellas de PET a sus componentes básicos: ácido tereftálico y etilenglicol.

Siguieron una serie de estudios. Los científicos están intentando mejorar las enzimas utilizadas en la tecnología industrial para procesar millones de toneladas de PET que se producen anualmente. Suponen que, si se mejora, la plataforma de reciclaje de enzimas puede cambiar por completo los sistemas de reciclaje de bajo rendimiento actuales, reducir la energía y las emisiones de gases de efecto invernadero y promover una economía circular para todos los productos de PET, incluso las alfombras y telas que no se pueden reciclar utilizando tecnologías tradicionales.

A medida que los investigadores se dan cuenta del potencial del uso de enzimas para descomponer los plásticos, nuevos artículos de todo el mundo han iluminado la literatura científica ", dijo John McGeehan, científico del equipo de la Universidad de Portsmouth (UoP) en el Reino Unido. Expertos de diferentes campos como ya que los productos farmacéuticos y los biocombustibles pueden reutilizar décadas de experiencia en investigación para modificar enzimas

La plataforma de recuperación de enzimas de la empresa NREL/UoP descompone eficazmente la materia prima de plástico PET (izquierda) en sus unidades estructurales químicas. La muestra de PET de la derecha disminuyó su masa en un 97,7 % después de ser hidrolizada por enzimas de la empresa NREL/UoP.

De hecho, en una serie de artículos frecuentemente citados publicados entre 2018 y 2021, Beckham, McGihan y sus colegas caracterizaron enzimas que aumentaban su eficiencia en un factor de seis y analizaron los impactos ambientales y económicos del reciclaje de PET a escala industrial. El artículo correspondiente de 2022 evalúa el impacto del ciclo de vida en los futuros sistemas enzimáticos de recuperación de PET.

Estos estudios han arrojado resultados notables. Al procesar PET en un biorreactor durante 48 horas, demostraron que es posible convertir casi el 98 por ciento del plástico en ácido tereftálico y etilenglicol: materiales de construcción reciclados de alta calidad que se utilizan para fabricar nuevas botellas de PET e incluso plásticos avanzados que son más fácil de reciclar.

"Trabajar en un campo que está creciendo tan rápidamente es una experiencia increíble", añadió McGihan. "Estamos llegando a un punto en el que la ciencia colaborativa tiene un enorme potencial para acelerar el desarrollo y la implementación a gran escala de soluciones basadas en enzimas".

A pesar del rápido progreso, se avecina una barrera clave para el reciclaje de enzimas a escala industrial.

Esta enzima sólo es eficaz contra un pequeño porcentaje de productos de PET: los elaborados a partir de PET "amorfo". Sin ablandarlos primero con altas temperaturas y energía extra, trabajaron duro para deconstruir las variedades muy comunes y duraderas de "cristales" de PET. El PET cristalino representa casi el 90% de todos los productos de PET, incluidas las fibras de poliéster en la ropa y algunas botellas de bebidas de un solo uso.

Los científicos necesitan enzimas que sean mejores para descomponer el PET cristalino y, con suerte, podrán encontrar otras enzimas que comen plástico escondidas en la tierra.

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Utilice el aprendizaje automático para "extraer" nuevas enzimas

Afortunadamente, el equipo no necesita una pala para extraer nuevas variedades de enzimas, y los avances en bioinformática y aprendizaje automático han hecho posible buscar varias enzimas activas en PET cristalino en una amplia base de datos de secuencias de enzimas existentes.

"Los métodos tradicionales para encontrar nuevas enzimas que comen plástico a partir de bases de datos pueden ser ineficaces porque las enzimas que son muy similares en composición química no necesariamente retienen la actividad desestructurante del plástico", dijo el científico computacional del NREL Japhaus Gado.

Para abordar este desafío, Gado construyó un modelo estadístico para aprender las reglas biológicas de las enzimas conocidas de degradación del plástico. El modelo asigna probabilidades a la composición única de las enzimas estudiadas hasta ahora. Gado también construyó un modelo de aprendizaje automático de apoyo para predecir la tolerancia al calor de las enzimas, lo cual es importante para las aplicaciones industriales.

La representación 3D de DeepMind reveló características estructurales inesperadas, como la enzima 611 en la figura. Un análisis cuidadoso de las firmas estructurales de proteínas como la enzima 611 podría ayudar al equipo a mejorar su rendimiento.

Juntos, estos dos modelos computacionales permiten a Gado y sus colegas proyectarse hacia un territorio inexplorado. En menos de una hora, examinaron más de 2 millones de proteínas, creando una breve lista de candidatos prometedores. Pruebas adicionales confirmaron que 5 de ellos pudieron deconstruir el PET, 36 de los cuales no habían sido descritos previamente en la literatura científica.

Es importante destacar que algunos son incluso mejores para descomponer el PET cristalino que el PET amorfo.

"Estas nuevas enzimas no sólo son genéticamente diversas", explica Gado. "Tienen diferentes estructuras y diferentes geometrías de los centros activos".

Gado puede hablar con confianza sobre la estructura de las 24 nuevas enzimas porque ha visto su apariencia, al menos en las representaciones 3D proporcionadas por investigadores de DeepMind, una subsidiaria de Alphabet. Conocido por mapear "todo el universo proteico", DeepMind caracterizó estas enzimas con su herramienta de aprendizaje profundo, AlphaFold, para que el equipo pudiera comparar las enzimas una al lado de la otra y notar sus diferencias.

Todas las herramientas tienen la capacidad de deconstruir PET, pero hay algunas que lucen sorprendentemente diferentes. Según Gado, las representaciones de DeepMind proporcionan pistas valiosas sobre cómo actúan las deconstructasas plásticas sobre el PET.

"Los métodos de IA de última generación nos ayudan a encontrar patrones en los datos sobre enzimas, lo que mejorará nuestra comprensión de lo que hace que las enzimas plásticas sean comestibles", añadió Gado. "Esto nos permitirá mejorar las enzimas mediante ingeniería de proteínas y encontrar otras enzimas en la naturaleza que funcionen de manera similar".

Este es otro paso adelante para un equipo de investigación ya prolífico y otro paso hacia el reciclaje de PET a gran escala.

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Más barato y más respetuoso con el medio ambiente

El análisis cuantificó las ventajas de la recuperación enzimática del PET

Según Beckham, la limpieza, la trituración y el calentamiento (los pasos necesarios para prepararse para la descomposición del PET) se encuentran entre los impulsores de sostenibilidad más importantes para las instalaciones de reciclaje de enzimas a escala industrial.

"Minimizar estos pasos de pretratamiento es fundamental para que los costos de recuperación de enzimas sean competitivos en comparación con la producción de resina de PET a partir del petróleo", explica.

Científicos de la Universidad NREL y UoP han desarrollado una plataforma enzimática rentable y respetuosa con el medio ambiente que puede descomponer rápidamente el PET posconsumo en componentes químicos idénticos, ácido tereftálico (TPA) y etilenglicol (EG).

En experimentos posteriores, el equipo notó que algunas enzimas marcadas mediante su método de aprendizaje automático eran igualmente efectivas para descomponer el PET cristalino y amorfo. Estas enzimas no requieren ningún tratamiento previo para ayudar a suavizar la unión de los plásticos.

"Al eliminar el pretratamiento, la tecnología permite el reciclaje de PET a escala industrial, que en realidad es más barato que utilizar petróleo para producir PET virgen", añadió Beckham. "Aún mejor, puede reducir la energía asociada y las emisiones de gases de efecto invernadero".

En un artículo anterior publicado en Joule en 2021, el equipo cuantificó las ventajas económicas y medioambientales del uso de enzimas activas en PET cristalino. En instalaciones a escala industrial, hacerlo puede reducir la demanda de energía de la cadena de suministro en un 45 % y las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida en un 38 % en comparación con los sistemas que utilizan pretratamiento.

Las ventajas económicas son igualmente impresionantes. Al desechar alfombras y ropa de PET, que no se pueden reciclar con técnicas convencionales, también se puede producir ácido tereftálico por menos de 1 dólar el kilogramo. Históricamente, el ácido tereftálico derivado del petróleo se ha vendido entre 1 y 1,50 dólares el kilogramo.

"Nuestra plataforma enzimática crea un incentivo económico para limpiar nuestros océanos", afirmó Erika Erickson, ex investigadora postdoctoral del NREL que realizó gran parte del trabajo experimental detrás de estos estudios. "A estos precios, la contaminación por PET se puede reciclar de forma asequible en nuevos productos de PET o encontrar nuevos usos en palas de turbinas eólicas o parachoques de fibra de carbono".

Los productos de PET posconsumo, que a menudo son la fuente actual de contaminación, pueden convertirse en recursos valiosos para apoyar una economía del plástico más sostenible desde el punto de vista ambiental.

No es difícil imaginar cómo esto cambiaría la historia del plástico: los costos de reciclaje de PET son tan bajos que la economía prefiere tirarlo al contenedor de reciclaje en lugar de a la basura. Una camiseta, una alfombra, una botella de refresco: todo se coloca allí y, como bloque de construcción, comienza su viaje circular para crear un mundo más limpio y verde.