Il riciclaggio enzimatico del PET di indumenti e tappeti riduce il pretrattamento o è più economico rispetto alla produzione di petrolio

Ricercatore senior presso il National Renewable Energy Laboratory (NREL) negli Stati Uniti La realtà è che la maggior parte dei prodotti in PET, in particolare indumenti e tappeti in PET, non vengono oggi riciclati utilizzando le tradizionali tecniche di riciclaggio. La comunità di ricerca sta sviluppando alternative promettenti, tra cui enzimi volti a depolimerizzare il PET, ma anche queste scelte spesso si basano su un elevato consumo di energia e fasi di pretrattamento ad alto costo per essere efficaci

I ricercatori Jaffes Gardo (a sinistra), Erica Erickson (a destra) e colleghi hanno scoperto e caratterizzato gli enzimi che degradano il PET cristallino, una plastica utilizzata nelle bottiglie per bevande usa e getta, nei tappeti, nell'abbigliamento e negli imballaggi alimentari.

Pertanto, la maggior parte del PET prodotto oggi finisce nelle discariche o nell’ambiente, anche i prodotti in PET che effettivamente entrano nelle stazioni di riciclaggio.

Tuttavia, Beckham ha affermato che le cose stanno cambiando rapidamente e che i metodi avanzati di apprendimento automatico e di biologia sintetica hanno fornito agli scienziati una comprensione senza precedenti della biologia fondamentale degli enzimi decostruttivi del PET. Recentemente, Beckham e i suoi colleghi dell’Università di Portsmouth e della Montana State University hanno utilizzato questi metodi per scoprire nuove varianti enzimatiche, che dovrebbero decostruire il PET più impegnativo senza ulteriori pretrattamenti.

Ciò non significa solo che siamo all’avanguardia nel riciclo enzimatico di tutte le forme di PET, compresi tappeti e indumenti, ma significa anche che riciclare il PET potrebbe presto essere più economico che produrlo da zero con il petrolio.

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Enzimi nascosti nel terreno

Il concetto di recupero enzimatico nel PET è noto dal 2005, ma dopo che gli scienziati giapponesi hanno fatto scoperte sorprendenti, ha fatto il suo debutto sulla scena mondiale nel 2016. Sepolto nel terreno fuori da un impianto di riciclaggio in Giappone, un enzima che chiamano tranquillamente Ideonella sakaiensis secerne per abbattere vecchie bottiglie di plastica per bevande sparse.

La natura offre un’ottima soluzione per rompere i legami chimici del PET. Per qualche ragione, la natura sta dimostrando come ridurre le bottiglie in PET ai loro componenti di base: acido tereftalico e glicole etilenico.

Seguirono una serie di studi. Gli scienziati stanno tentando di migliorare gli enzimi utilizzati nella tecnologia industriale per elaborare milioni di tonnellate di PET prodotte ogni anno. Presumono che, se migliorata, la piattaforma di riciclo enzimatico potrà cambiare completamente gli attuali sistemi di riciclo poco performanti, ridurre le emissioni di energia e di gas serra e promuovere un’economia circolare per tutti i prodotti in PET, anche per tappeti e tessuti che non possono essere riciclati utilizzando le tecnologie tradizionali.

Man mano che i ricercatori si rendono conto del potenziale dell'uso degli enzimi per scomporre la plastica, nuovi documenti provenienti da tutto il mondo hanno illuminato la letteratura scientifica ", ha affermato John McGeehan, uno scienziato del team dell'Università di Portsmouth (UoP) nel Regno Unito. Esperti di diversi campi come poiché i prodotti farmaceutici e i biocarburanti possono riutilizzare decenni di esperienza di ricerca per modificare gli enzimi

La piattaforma di recupero enzimatico dell'azienda NREL/UoP decompone efficacemente la materia prima plastica PET (a sinistra) nelle sue unità strutturali chimiche. Il campione PET a destra è diminuito di massa del 97,7% dopo essere stato idrolizzato dagli enzimi dell'azienda NREL/UoP.

Il rendering 3D di DeepMind ha rivelato caratteristiche strutturali inaspettate, come l'enzima 611 nella figura. Un'attenta analisi delle firme strutturali delle proteine ​​come l'enzima 611 potrebbe aiutare il team a migliorare le proprie prestazioni.

Insieme, questi due modelli computazionali consentono a Gado e ai suoi colleghi di proiettarsi in un territorio inesplorato. In meno di un’ora hanno analizzato più di 2 milioni di proteine, creando un breve elenco di candidati promettenti. Ulteriori test hanno confermato che 5 erano in grado di decostruire il PET, 36 dei quali non erano stati precedentemente descritti nella letteratura scientifica.

È importante sottolineare che alcuni sono ancora più bravi a scomporre il PET cristallino rispetto al PET amorfo.

"Questi nuovi enzimi non sono solo geneticamente diversi", spiega Gado. "Hanno strutture diverse e diverse geometrie dei centri attivi."

Gado può parlare con sicurezza della struttura dei 24 nuovi enzimi perché li ha visti assomigliare, almeno nei rendering 3D forniti dai ricercatori di DeepMind, una filiale di Alphabet. Conosciuto per la mappatura dell '"intero universo proteico", DeepMind ha caratterizzato questi enzimi con il suo strumento di apprendimento profondo, AlphaFold, in modo che il team potesse confrontare gli enzimi fianco a fianco e notare le loro differenze.

Tutti gli strumenti hanno la capacità di decostruire il PET, ma ce ne sono alcuni che sembrano sorprendentemente diversi. Secondo Gado, i rendering di DeepMind forniscono preziosi indizi su come le destrutturasi della plastica agiscono sul PET.

"I metodi di intelligenza artificiale all'avanguardia ci aiutano a trovare modelli nei dati sugli enzimi, il che migliorerà la nostra comprensione di ciò che rende buoni gli enzimi commestibili di plastica", ha aggiunto Gado. "Questo ci consentirà di migliorare gli enzimi con l'ingegneria proteica e di trovare altri enzimi in natura che funzionano in modo simile."

Questo è un altro passo avanti per un gruppo di ricerca già prolifico e un altro passo verso il riciclo del PET su larga scala.

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Più economico e più rispettoso dell'ambiente

L'analisi ha quantificato i vantaggi del recupero enzimatico del PET

Secondo Beckham, la pulizia, la triturazione e il riscaldamento – le fasi necessarie per prepararsi alla decomposizione del PET – sono tra i più importanti fattori di sostenibilità per gli impianti di riciclaggio degli enzimi su scala industriale.

"Ridurre al minimo queste fasi di pretrattamento è fondamentale per rendere competitivi i costi di recupero degli enzimi rispetto alla produzione di resina PET dal petrolio", spiega.

Gli scienziati dell’Università NREL e dell’UoP hanno sviluppato una piattaforma enzimatica economica ed ecologica in grado di scomporre rapidamente il PET post-consumo in elementi chimici identici, acido tereftalico (TPA) e glicole etilenico (EG).

Negli esperimenti successivi, il team ha notato che alcuni enzimi etichettati con il loro metodo di apprendimento automatico erano ugualmente efficaci nel scomporre il PET cristallino e amorfo. Questi enzimi non richiedono alcun pretrattamento per aiutare ad ammorbidire il legame della plastica.

"Eliminando il pretrattamento, la tecnologia consente il riciclaggio del PET su scala industriale, che in realtà è più economico rispetto all'utilizzo del petrolio per produrre PET vergine", ha aggiunto Beckham. "Ancora meglio, può ridurre le emissioni di energia e di gas serra associate."

In un precedente articolo pubblicato su Joule, nel 2021, il team aveva quantificato i vantaggi economici e ambientali dell’utilizzo di enzimi attivi sul PET cristallino. Negli impianti su scala industriale, ciò può ridurre la domanda di energia della catena di approvvigionamento del 45% e le emissioni di gas serra durante il ciclo di vita del 38% rispetto ai sistemi che utilizzano il pretrattamento.

I vantaggi economici sono altrettanto impressionanti. Quando si scartano tappeti e indumenti in PET – che non possono essere riciclati con le tecniche convenzionali – si può anche produrre acido tereftalico per meno di 1 dollaro al chilogrammo. L'acido tereftalico derivato dal petrolio è stato storicamente venduto per un prezzo compreso tra 1 e 1,50 dollari al chilogrammo.

"La nostra piattaforma enzimatica crea un incentivo economico per pulire i nostri oceani", ha affermato Erika Erickson, ex ricercatrice post-dottorato del NREL che ha condotto gran parte del lavoro sperimentale alla base di questi studi. “A tali prezzi, la contaminazione del PET può essere riciclata in modo conveniente in nuovi prodotti PET o trovare nuovi usi nelle pale delle turbine eoliche o nei paraurti in fibra di carbonio”.

I prodotti in PET post-consumo, spesso oggi fonte di inquinamento, possono essere trasformati in risorse preziose per sostenere un’economia della plastica più sostenibile dal punto di vista ambientale.

Non è difficile immaginare come questo cambierebbe la storia della plastica: i costi di riciclaggio del PET sono così bassi che l’economia preferisce gettarlo nel contenitore del riciclaggio piuttosto che nella spazzatura. Una maglietta, un tappeto, una bottiglia di soda: tutto viene messo dentro e, come elemento costitutivo, inizia il loro viaggio circolare per creare un mondo più pulito e più verde.