A reciclagem enzimática de PET de roupas e carpetes reduz o pré-tratamento ou é mais barata que a fabricação de petróleo- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Pesquisador Sênior do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) nos Estados Unidos A realidade é que a maioria dos produtos PET, especialmente roupas e carpetes PET, não são reciclados usando técnicas tradicionais de reciclagem atualmente. A comunidade de investigação está a desenvolver alternativas promissoras, incluindo enzimas destinadas a despolimerizar o PET, mas mesmo estas escolhas dependem frequentemente de um elevado consumo de energia e de passos de pré-tratamento de elevado custo para serem eficazes.

Os pesquisadores Jaffes Gardo (à esquerda), Erica Erickson (à direita) e colegas descobriram e caracterizaram enzimas que degradam o PET cristalino, um plástico usado em garrafas descartáveis de bebidas, tapetes, roupas e embalagens de alimentos.

Portanto, a maior parte do PET produzido hoje acaba indo para aterros sanitários ou para o meio ambiente - até mesmo produtos PET que realmente chegam às estações de reciclagem.

No entanto, Beckham disse que as coisas estão mudando rapidamente, e métodos avançados de aprendizado de máquina e biologia sintética deram aos cientistas uma compreensão sem precedentes da biologia fundamental das enzimas desconstrutivas PET. Recentemente, Beckham e seus colegas da Universidade de Portsmouth e da Universidade Estadual de Montana utilizaram esses métodos para descobrir novas variantes de enzimas, que deverão desconstruir o PET mais desafiador sem pré-tratamento adicional.

Isto não significa apenas que estamos na vanguarda da reciclagem enzimática para todas as formas de PET, incluindo tapetes e vestuário - mas também significa que reciclar PET poderá em breve ser mais barato do que fabricar PET a partir do zero com petróleo.

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Enzimas escondidas no solo

O conceito de recuperação enzimática em PET é conhecido desde 2005, mas depois que cientistas japoneses fizeram descobertas surpreendentes, ele estreou no cenário mundial em 2016. Enterrada no solo fora de uma instalação de reciclagem no Japão, uma enzima que eles chamam silenciosamente de Ideonella sakaiensis secreta para quebrar velhas garrafas plásticas de bebidas espalhadas.

A natureza oferece uma ótima solução para quebrar as ligações químicas do PET. Por alguma razão, a natureza está demonstrando como reduzir as garrafas PET aos seus componentes básicos: ácido tereftálico e etilenoglicol.

Seguiu-se uma série de estudos. Os cientistas estão tentando aprimorar as enzimas utilizadas na tecnologia industrial para processar milhões de toneladas de PET produzidas anualmente. Eles assumem que, se for melhorada, a plataforma de reciclagem de enzimas pode mudar completamente os actuais sistemas de reciclagem de baixo desempenho, reduzir a energia e as emissões de gases com efeito de estufa e promover uma economia circular para todos os produtos PET - mesmo tapetes e tecidos que não podem ser reciclados utilizando tecnologias tradicionais.

À medida que os pesquisadores percebem o potencial do uso de enzimas para decompor plásticos, novos artigos de todo o mundo iluminam a literatura científica”, disse John McGeehan, cientista da equipe da Universidade de Portsmouth (UoP), no Reino Unido. como produtos farmacêuticos e biocombustíveis podem reutilizar décadas de experiência em pesquisa para modificar enzimas

A plataforma de recuperação de enzimas da empresa NREL/UoP decompõe efetivamente a matéria-prima plástica PET (à esquerda) em suas unidades estruturais químicas. A amostra de PET à direita diminuiu em massa em 97,7% após ser hidrolisada por enzimas da empresa NREL/UoP.

De facto, numa série de artigos frequentemente citados publicados entre 2018 e 2021, Beckham, McGihan e os seus colegas caracterizaram enzimas que aumentaram a sua eficiência por um factor de seis e analisaram os impactos ambientais e económicos da reciclagem de PET em escala industrial. O artigo correspondente de 2022 avalia o impacto do ciclo de vida nos futuros sistemas enzimáticos de recuperação de PET.

Esses estudos produziram resultados notáveis. Ao processar PET em um biorreator por 48 horas, eles mostraram que é possível converter quase 98% do plástico em ácido tereftálico e etilenoglicol – materiais de construção reciclados de alta qualidade usados para fabricar novas garrafas PET, e até mesmo plásticos avançados que são mais fácil de reciclar.

“Trabalhar em uma área que cresce tão rapidamente é uma experiência incrível”, acrescentou McGihan. “Estamos chegando a um ponto em que a ciência colaborativa tem um enorme potencial para acelerar o desenvolvimento em larga escala e a implementação de soluções baseadas em enzimas”.

Apesar do rápido progresso, surge uma barreira importante à reciclagem de enzimas em escala industrial.

Esta enzima só é eficaz contra uma pequena percentagem de produtos PET – aqueles feitos de PET “amorfo”. Sem primeiro amolecê-los com altas temperaturas e energia extra, eles trabalharam duro para desconstruir as variedades muito comuns e duráveis de “cristais” de PET. O PET cristalino representa quase 90% de todos os produtos PET, incluindo fibras de poliéster em roupas e algumas garrafas de bebidas descartáveis.

Os cientistas precisam de enzimas que sejam melhores na decomposição do PET cristalino e, esperançosamente, possam encontrar outras enzimas comedoras de plástico escondidas na terra.

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Use o aprendizado de máquina para “minerar” novas enzimas

Felizmente, a equipe não precisa de uma pá para explorar novas variedades de enzimas, e os avanços na bioinformática e no aprendizado de máquina tornaram possível procurar várias enzimas ativas no PET cristalino em um vasto banco de dados de sequências de enzimas existentes.

"Os métodos tradicionais de encontrar novas enzimas comedoras de plástico a partir de bancos de dados podem ser ineficazes porque enzimas que são muito semelhantes na composição química não retêm necessariamente a atividade de desestruturação do plástico", disse o cientista computacional do NREL, Japhaus Gado.

Para enfrentar este desafio, Gado construiu um modelo estatístico para aprender as regras biológicas das enzimas conhecidas de degradação do plástico. O modelo atribui probabilidades à composição única das enzimas estudadas até agora. Gado também construiu um modelo de suporte ao aprendizado de máquina para prever a tolerância das enzimas ao calor, o que é importante para aplicações industriais.

A renderização 3D da DeepMind revelou características estruturais inesperadas, como a enzima 611 na figura. A análise cuidadosa das assinaturas estruturais de proteínas como a enzima 611 poderia ajudar a equipe a melhorar seu desempenho.

Juntos, estes dois modelos computacionais permitem que Gado e seus colegas se projetem em território desconhecido. Em menos de uma hora, examinaram mais de 2 milhões de proteínas, criando uma pequena lista de candidatos promissores. Outros testes confirmaram que 5 foram capazes de desconstruir o PET, 36 que não haviam sido descritos anteriormente na literatura científica.

É importante ressaltar que alguns são ainda melhores na decomposição do PET cristalino do que o PET amorfo.

“Essas novas enzimas não são apenas geneticamente diversas”, explica Gado. “Eles têm estruturas e geometrias diferentes dos centros ativos”.

Gado pode falar com segurança sobre a estrutura das 24 novas enzimas porque ele as viu – pelo menos nas representações 3D fornecidas por pesquisadores da DeepMind, uma subsidiária da Alphabet. Conhecida por mapear “todo o universo das proteínas”, a DeepMind caracterizou essas enzimas com sua ferramenta de aprendizado profundo, AlphaFold, para que a equipe pudesse comparar as enzimas lado a lado e observar suas diferenças.

Todas as ferramentas têm a capacidade de desconstruir o PET, mas há algumas que parecem muito diferentes. De acordo com Gado, as renderizações da DeepMind fornecem pistas valiosas sobre como as desconstrutases plásticas agem no PET.

“Métodos de IA de última geração nos ajudam a encontrar padrões em dados de enzimas, o que aumentará nossa compreensão do que torna boas enzimas plásticas comestíveis”, acrescentou Gado. “Isso nos permitirá melhorar enzimas com engenharia de proteínas e encontrar outras enzimas na natureza com desempenho semelhante”.

Este é mais um passo em frente para uma equipa de investigação já prolífica e mais um passo em direcção à reciclagem de PET em grande escala.

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Mais barato e mais ecológico

A análise quantificou as vantagens da recuperação enzimática de PET

De acordo com Beckham, a limpeza, a trituração e o aquecimento – as etapas necessárias para preparar a decomposição do PET – estão entre os motores de sustentabilidade mais importantes para instalações de reciclagem de enzimas em escala industrial.

“Minimizar essas etapas de pré-tratamento é fundamental para tornar os custos de recuperação de enzimas competitivos em comparação com a produção de resina PET a partir do petróleo”, explica.

Cientistas da Universidade NREL e da UoP desenvolveram uma plataforma enzimática econômica e ecologicamente correta que pode decompor rapidamente o PET pós-consumo em blocos de construção químicos idênticos, ácido tereftálico (TPA) e etilenoglicol (EG).

Em experiências subsequentes, a equipa notou que algumas enzimas marcadas pelo seu método de aprendizagem automática eram igualmente eficazes na decomposição do PET cristalino e amorfo. Essas enzimas não requerem nenhum pré-tratamento para ajudar a suavizar a ligação dos plásticos.

“Ao eliminar o pré-tratamento, a tecnologia permite a reciclagem de PET em escala industrial, que é na verdade mais barata do que usar petróleo para produzir PET virgem”, disse Beckham. “Melhor ainda, pode reduzir a energia associada e as emissões de gases com efeito de estufa”.

Num artigo anterior publicado na Joule, em 2021, a equipa quantificou as vantagens económicas e ambientais da utilização de enzimas ativas no PET cristalino. Em instalações à escala industrial, isso pode reduzir a procura de energia na cadeia de abastecimento em 45% e as emissões de gases com efeito de estufa ao longo do ciclo de vida em 38%, em comparação com sistemas que utilizam pré-tratamento.

As vantagens económicas são igualmente impressionantes. Ao descartar carpetes e roupas de PET – que não podem ser reciclados com técnicas convencionais – eles também podem produzir ácido tereftálico por menos de US$ 1 por quilograma. O ácido tereftálico derivado do petróleo tem sido historicamente vendido por US$ 1 a US$ 1,50 por quilograma.

“Nossa plataforma enzimática cria um incentivo econômico para limpar nossos oceanos”, disse Erika Erickson, ex-pesquisadora de pós-doutorado do NREL que conduziu grande parte do trabalho experimental por trás desses estudos. “Com esses preços, a contaminação do PET pode ser reciclada de forma acessível em novos produtos PET ou encontrar novos usos em pás de turbinas eólicas ou amortecedores de fibra de carbono”.

Os produtos PET pós-consumo, muitas vezes a fonte atual de poluição, podem ser transformados em recursos valiosos para apoiar uma economia de plásticos mais sustentável do ponto de vista ambiental.

Não é difícil imaginar como isso mudaria a história do plástico: os custos de reciclagem do PET são tão baixos que a economia favorece jogá-lo na lixeira em vez de no lixo. Uma camiseta, um tapete, uma garrafa de refrigerante – tudo é colocado e como um alicerce, iniciam sua jornada circular para criar um mundo mais limpo e verde.