إن إعادة تدوير الملابس والسجاد الأنزيمية من مادة PET تقلل من المعالجة المسبقة أو أنها أرخص من تصنيع النفط

باحث أول في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) في الولايات المتحدة. الحقيقة هي أن معظم منتجات PET، وخاصة الملابس والسجاد، لا يتم إعادة تدويرها باستخدام تقنيات إعادة التدوير التقليدية اليوم. يعمل مجتمع البحث على تطوير بدائل واعدة، بما في ذلك الإنزيمات التي تهدف إلى إزالة بلمرة PET، ولكن حتى هذه الاختيارات غالبًا ما تعتمد على استهلاك الطاقة العالي وخطوات المعالجة المسبقة عالية التكلفة لتكون فعالة

اكتشف الباحثون جافيس جاردو (يسار)، وإريكا إريكسون (يمين)، وزملاؤهم وحددوا إنزيمات تعمل على تحليل مادة PET البلورية، وهو البلاستيك المستخدم في زجاجات المشروبات التي تستخدم لمرة واحدة، والسجاد، والملابس، وتغليف المواد الغذائية.

ولذلك، فإن معظم مادة PET التي يتم إنتاجها اليوم تدخل في نهاية المطاف إلى مدافن النفايات أو البيئة - حتى منتجات PET التي تدخل فعليًا إلى محطات إعادة التدوير.

ومع ذلك، قال بيكهام إن الأمور تتغير بسرعة، وقد أعطت الأساليب المتقدمة في التعلم الآلي والبيولوجيا التركيبية للعلماء فهمًا غير مسبوق للبيولوجيا الأساسية للإنزيمات التفكيكية PET. في الآونة الأخيرة، استخدم بيكهام وزملاؤه في جامعة بورتسموث وجامعة ولاية مونتانا هذه الأساليب لاكتشاف متغيرات إنزيمية جديدة، والتي من المتوقع أن تفكك PET الأكثر تحديًا دون معالجة مسبقة إضافية.

وهذا لا يعني فقط أننا في طليعة إعادة تدوير الإنزيمات لجميع أشكال PET، بما في ذلك السجاد والملابس - بل يعني أيضًا أن إعادة تدوير PET قد تكون قريبًا أرخص من تصنيع PET من الصفر بالزيت.

— 1 —

الانزيمات مخبأة في التربة

إن مفهوم استخلاص الإنزيمات في مادة PET معروف منذ عام 2005، ولكن بعد أن حقق العلماء اليابانيون اكتشافات مذهلة، ظهر لأول مرة على المسرح العالمي في عام 2016. حيث يتم دفن إنزيم يسمونه Ideonella sakaiensis بهدوء في التربة خارج منشأة لإعادة التدوير في اليابان. أسرار تحطيم زجاجات المشروبات البلاستيكية القديمة المتناثرة.

توفر الطبيعة حلاً رائعًا لكسر الروابط الكيميائية للـPET. لسبب ما، توضح الطبيعة كيفية اختزال زجاجات PET إلى مكوناتها الأساسية: حمض تيريفثاليك وجلايكول الإيثيلين.

وتلت ذلك سلسلة من الدراسات. يحاول العلماء تعزيز الإنزيمات المستخدمة في التكنولوجيا الصناعية لمعالجة ملايين الأطنان من مادة PET المنتجة سنويًا. ويفترضون أنه إذا تم تحسين منصة إعادة تدوير الإنزيمات، فيمكنها تغيير أنظمة إعادة التدوير الحالية ذات الأداء الضعيف تمامًا، وتقليل انبعاثات الطاقة والغازات الدفيئة، وتعزيز الاقتصاد الدائري لجميع منتجات PET - حتى السجاد والأقمشة التي لا يمكن إعادة تدويرها باستخدام التقنيات التقليدية.

وقال جون ماكجيهان، العالم في فريق جامعة بورتسموث (UoP) في المملكة المتحدة: "بينما يدرك الباحثون إمكانية استخدام الإنزيمات لتكسير البلاستيك، أضاءت الأبحاث الجديدة من جميع أنحاء العالم المؤلفات العلمية". حيث يمكن للأدوية والوقود الحيوي إعادة استخدام عقود من الخبرة البحثية لتعديل الإنزيمات

تقوم منصة استرداد الإنزيمات التابعة لشركة NREL/UoP بتحليل المواد الخام البلاستيكية PET (يسار) بشكل فعال إلى وحداتها الهيكلية الكيميائية. انخفضت كتلة عينة PET الموجودة على اليمين بنسبة 97.7% بعد تحللها بواسطة إنزيمات من شركة NREL/UoP.

كشف عرض DeepMind ثلاثي الأبعاد عن ميزات هيكلية غير متوقعة، مثل الإنزيم 611 في الشكل. التحليل الدقيق للتوقيعات الهيكلية للبروتينات مثل الإنزيم 611 يمكن أن يساعد الفريق على تحسين أدائه.

يسمح هذان النموذجان الحسابيان معًا لجادو وزملائه بالتوجه إلى منطقة مجهولة. وفي أقل من ساعة، قاموا بفحص أكثر من مليوني بروتين، مما أدى إلى إنشاء قائمة قصيرة من المرشحين الواعدين. وأكدت الاختبارات الإضافية أن 5 منها كانت قادرة على تفكيك PET، 36 التي لم يتم وصفها مسبقًا في الأدبيات العلمية.

والأهم من ذلك، أن بعضها أفضل في تحطيم PET البلوري من PET غير المتبلور.

يوضح جادو: «هذه الإنزيمات الجديدة ليست متنوعة وراثيًا فحسب». "لديهم هياكل مختلفة وأشكال هندسية مختلفة للمراكز النشطة."

يستطيع جادو التحدث بثقة عن بنية الإنزيمات الـ 24 الجديدة لأنه رآها تبدو وكأنها - على الأقل في العروض ثلاثية الأبعاد التي قدمها الباحثون في DeepMind، وهي شركة تابعة لشركة Alphabet. قامت شركة DeepMind، المعروفة برسم خرائط "عالم البروتين الكامل"، بتمييز هذه الإنزيمات باستخدام أداة التعلم العميق الخاصة بها، AlphaFold، حتى يتمكن الفريق من مقارنة الإنزيمات جنبًا إلى جنب وملاحظة الاختلافات بينها.

جميع الأدوات لديها القدرة على تفكيك PET، ولكن هناك القليل منها الذي يبدو مختلفًا بشكل لافت للنظر. وفقًا لجادو، توفر عروض DeepMind أدلة قيمة حول كيفية عمل تفكيك البلاستيك على PET.

وأضاف جادو: "تساعدنا أساليب الذكاء الاصطناعي الحديثة في العثور على أنماط في بيانات الإنزيمات، مما سيعزز فهمنا لما يجعل الإنزيمات البلاستيكية الصالحة للأكل جيدة". "سيسمح لنا هذا بتحسين الإنزيمات من خلال هندسة البروتين والعثور على إنزيمات أخرى في الطبيعة تؤدي أداءً مشابهًا."

هذه خطوة أخرى إلى الأمام لفريق بحث غزير الإنتاج بالفعل وخطوة أخرى نحو إعادة تدوير PET على نطاق واسع.

— 3 —

أرخص وأكثر صداقة للبيئة

حدد التحليل مزايا الاسترداد الأنزيمي لـ PET

وفقا لبيكهام، فإن التنظيف والتقطيع والتسخين - الخطوات المطلوبة للتحضير لتحلل البولي إيثيلين تيرفثالات - هي من بين أهم محركات الاستدامة لمرافق إعادة تدوير الإنزيمات على نطاق صناعي.

ويوضح قائلاً: "إن تقليل خطوات المعالجة المسبقة هذه يعد أمرًا بالغ الأهمية لجعل تكاليف استعادة الإنزيم تنافسية مقارنة بإنتاج راتينج PET من النفط".

قام العلماء في جامعة NREL وUoP بتطوير منصة أنزيمية فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة يمكنها تحطيم PET بعد الاستهلاك بسرعة إلى وحدات بناء كيميائية متطابقة، وحمض تيريفثاليك (TPA) وجلايكول الإيثيلين (EG).

وفي تجارب لاحقة، لاحظ الفريق أن بعض الإنزيمات التي تم تصنيفها بواسطة طريقة التعلم الآلي الخاصة بهم كانت فعالة بنفس القدر في تحطيم PET البلورية وغير المتبلورة. لا تتطلب هذه الإنزيمات معالجة مسبقة على الإطلاق للمساعدة في تليين ارتباط المواد البلاستيكية.

وأضاف بيكهام: "من خلال التخلص من المعالجة المسبقة، تتيح هذه التكنولوجيا إمكانية إعادة تدوير مادة PET على نطاق صناعي، وهو في الواقع أرخص من استخدام البترول لإنتاج مادة PET البكر". "والأفضل من ذلك، أنه يمكن أن يقلل من انبعاثات الطاقة والغازات الدفيئة المرتبطة بها."

وفي مقال سابق نُشر في مجلة Joule عام 2021، قام الفريق بتقدير المزايا الاقتصادية والبيئية لاستخدام الإنزيمات النشطة في مادة PET البلورية. وفي المنشآت ذات النطاق الصناعي، يمكن أن يؤدي القيام بذلك إلى تقليل الطلب على الطاقة في سلسلة التوريد بنسبة 45% وانبعاثات غازات الدفيئة خلال دورة الحياة بنسبة 38% مقارنة بالأنظمة التي تستخدم المعالجة المسبقة.

المزايا الاقتصادية مثيرة للإعجاب بنفس القدر. عند التخلص من السجاد والملابس المصنوعة من مادة PET - والتي لا يمكن إعادة تدويرها بالتقنيات التقليدية - يمكن أيضًا إنتاج حمض التريفثاليك بأقل من دولار واحد للكيلوغرام الواحد. تاريخياً، تم بيع حمض التريفثاليك المشتق من النفط مقابل دولار واحد إلى 1.50 دولار للكيلوغرام الواحد.

قالت إريكا إريكسون، باحثة ما بعد الدكتوراه السابقة في NREL والتي أجرت الكثير من العمل التجريبي وراء هذه الدراسات: "إن منصة الإنزيم الخاصة بنا تخلق حافزًا اقتصاديًا لتنظيف محيطاتنا". "عند نقاط السعر هذه، يمكن إعادة تدوير تلوث PET بتكلفة معقولة إلى منتجات PET جديدة أو العثور على استخدامات جديدة في شفرات توربينات الرياح أو مصدات ألياف الكربون."

يمكن تحويل منتجات PET بعد الاستهلاك، والتي غالبًا ما تكون مصدرًا للتلوث اليوم، إلى موارد قيمة لدعم اقتصاد بلاستيكي أكثر استدامة بيئيًا.

ليس من الصعب أن نتخيل كيف سيغير هذا الأمر بالنسبة للبلاستيك: تكاليف إعادة تدوير مادة PET منخفضة جدًا لدرجة أن الاقتصاديين يفضلون رميها في سلة إعادة التدوير بدلاً من سلة المهملات. قميص، سجادة، زجاجة صودا - تم وضع كل شيء في مكانه وكحجر بناء، ابدأ رحلتهم الدائرية لخلق عالم أنظف وأكثر خضرة.