Daur ulang PET secara enzimatis pada pakaian dan karpet mengurangi pra-perawatan atau lebih murah dibandingkan produksi minyak bumi- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Peneliti Senior di National Renewable Energy Laboratory (NREL) di Amerika Serikat Kenyataannya adalah sebagian besar produk PET, terutama pakaian dan karpet PET, tidak didaur ulang menggunakan teknik daur ulang tradisional saat ini. Komunitas riset sedang mengembangkan alternatif yang menjanjikan, termasuk enzim yang bertujuan untuk mendepolimerisasi PET, namun pilihan ini sering kali bergantung pada konsumsi energi yang tinggi dan langkah-langkah pra-perawatan yang berbiaya tinggi agar bisa efektif.

Peneliti Jaffes Gardo (kiri), Erica Erickson (kanan), dan rekannya telah menemukan dan mengkarakterisasi enzim yang mendegradasi kristal PET, plastik yang digunakan dalam botol minuman sekali pakai, karpet, pakaian, dan kemasan makanan.

Oleh karena itu, sebagian besar PET yang diproduksi saat ini akhirnya masuk ke tempat pembuangan sampah atau lingkungan - bahkan produk PET yang benar-benar masuk ke tempat daur ulang.

Namun demikian, Beckham mengatakan bahwa banyak hal berubah dengan cepat, dan metode canggih dalam pembelajaran mesin dan biologi sintetik telah memberikan para ilmuwan pemahaman yang belum pernah terjadi sebelumnya tentang biologi dasar enzim dekonstruktif PET. Baru-baru ini, Beckham dan rekan-rekannya di Universitas Portsmouth dan Montana State University menggunakan metode ini untuk menemukan varian enzim baru, yang diharapkan dapat mendekonstruksi PET yang paling menantang tanpa perlakuan awal tambahan.

Hal ini tidak hanya berarti bahwa kita berada di garis depan dalam daur ulang enzim untuk semua bentuk PET, termasuk karpet dan pakaian - hal ini juga berarti bahwa mendaur ulang PET mungkin akan lebih murah dibandingkan memproduksi PET dari awal dengan minyak.

— 1 —

Enzim tersembunyi di dalam tanah

Konsep pemulihan enzim dalam PET telah dikenal sejak tahun 2005, namun setelah para ilmuwan Jepang membuat penemuan yang mencengangkan, konsep tersebut memulai debutnya di panggung dunia pada tahun 2016. Terkubur di dalam tanah di luar fasilitas daur ulang di Jepang, diam-diam sebuah enzim yang mereka sebut Ideonella sakaiensis mengeluarkan cairan untuk memecah botol-botol minuman plastik bekas yang berserakan.

Alam memberikan solusi hebat untuk memutus ikatan kimia PET. Untuk beberapa alasan, alam menunjukkan cara mereduksi botol PET menjadi komponen dasarnya: asam tereftalat dan etilen glikol.

Serangkaian penelitian diikuti. Para ilmuwan berupaya meningkatkan enzim yang digunakan dalam teknologi industri untuk memproses jutaan ton PET yang diproduksi setiap tahunnya. Mereka berasumsi bahwa jika ditingkatkan, platform daur ulang enzim dapat sepenuhnya mengubah sistem daur ulang yang berkinerja buruk saat ini, mengurangi energi dan emisi gas rumah kaca, dan mendorong ekonomi sirkular untuk semua produk PET – bahkan karpet dan kain yang tidak dapat didaur ulang menggunakan teknologi tradisional.

Ketika para peneliti menyadari potensi penggunaan enzim untuk memecah plastik, makalah baru dari seluruh dunia telah menerangi literatur ilmiah, "kata John McGeehan, ilmuwan di tim Universitas Portsmouth (UoP) di Inggris. Para ahli dari berbagai bidang seperti karena obat-obatan dan biofuel dapat menggunakan kembali pengalaman penelitian selama puluhan tahun untuk memodifikasi enzim

Platform pemulihan enzim perusahaan NREL/UoP secara efektif menguraikan bahan mentah plastik PET (kiri) menjadi unit struktur kimianya. Sampel PET di sebelah kanan mengalami penurunan massa sebesar 97,7% setelah dihidrolisis oleh enzim dari perusahaan NREL/UoP.

Faktanya, dalam serangkaian makalah yang sering dikutip yang diterbitkan antara tahun 2018 dan 2021, Beckham, McGihan, dan rekan mereka mengkarakterisasi enzim yang meningkatkan efisiensinya hingga enam kali lipat dan menganalisis dampak lingkungan dan ekonomi dari daur ulang PET skala industri. Makalah terkait pada tahun 2022 mengevaluasi dampak siklus hidup pada sistem pemulihan PET enzimatik di masa depan.

Studi-studi ini telah membuahkan hasil yang luar biasa. Dengan memproses PET dalam bioreaktor selama 48 jam, mereka menunjukkan bahwa hampir 98 persen plastik dapat diubah menjadi asam tereftalat dan etilen glikol – bahan bangunan daur ulang berkualitas tinggi yang digunakan untuk membuat botol PET baru, dan bahkan plastik canggih yang digunakan untuk membuat botol PET baru. lebih mudah untuk didaur ulang.

“Bekerja di bidang yang berkembang begitu pesat merupakan pengalaman yang luar biasa,” tambah McGihan. “Kami mencapai titik di mana sains kolaboratif memiliki potensi luar biasa untuk mempercepat pengembangan skala besar dan penerapan solusi berbasis enzim.”

Meskipun ada kemajuan pesat, hambatan utama terhadap daur ulang enzim skala industri masih menghantui.

Enzim ini hanya efektif terhadap sebagian kecil produk PET — yang terbuat dari PET "amorf". Tanpa terlebih dahulu melunakkannya dengan suhu tinggi dan energi ekstra, mereka bekerja keras untuk mendekonstruksi jenis "kristal" PET yang sangat umum dan tahan lama. PET kristal menyumbang hampir 90% dari seluruh produk PET, termasuk serat poliester pada pakaian dan beberapa botol minuman sekali pakai.

Para ilmuwan membutuhkan enzim yang lebih baik dalam memecah kristal PET, dan mudah-mudahan mereka dapat menemukan enzim pemakan plastik lain yang bersembunyi di dalam tanah.

— 2 —

Gunakan pembelajaran mesin untuk "menambang" enzim baru

Untungnya, tim tidak memerlukan sekop untuk menambang varietas enzim baru, dan kemajuan dalam bioinformatika dan pembelajaran mesin telah memungkinkan untuk mencari berbagai enzim yang aktif pada kristal PET dalam database besar rangkaian enzim yang ada.

“Metode tradisional untuk menemukan enzim pemakan plastik baru dari database mungkin tidak efektif karena enzim yang komposisi kimianya sangat mirip tidak serta merta mempertahankan aktivitas penghancuran plastik,” kata ilmuwan komputasi NREL Japhaus Gado.

Untuk mengatasi tantangan ini, Gado membuat model statistik untuk mempelajari aturan biologis enzim pengurai plastik yang diketahui. Model tersebut memberikan probabilitas pada komposisi unik enzim yang dipelajari sejauh ini. Gado juga membangun model pembelajaran mesin pendukung untuk memprediksi toleransi panas enzim, yang penting untuk aplikasi industri.

Render 3D DeepMind mengungkapkan fitur struktural yang tidak terduga, seperti enzim 611 pada gambar. Analisis yang cermat terhadap ciri struktural protein seperti enzim 611 dapat membantu tim meningkatkan kinerja mereka.

Bersama-sama, kedua model komputasi ini memungkinkan Gado dan rekan-rekannya memproyeksikan ke wilayah yang belum dipetakan. Dalam waktu kurang dari satu jam, mereka menyaring lebih dari 2 juta protein, sehingga menghasilkan daftar pendek kandidat yang menjanjikan. Pengujian lebih lanjut menegaskan bahwa 5 mampu mendekonstruksi PET, 36 yang sebelumnya belum pernah dijelaskan dalam literatur ilmiah.

Yang penting, beberapa bahkan lebih baik dalam memecah PET kristal daripada PET amorf.

“Enzim baru ini tidak hanya beragam secara genetik,” jelas Gado. “Mereka memiliki struktur berbeda dan geometri pusat aktif yang berbeda.”

Gado dapat dengan percaya diri berbicara tentang struktur 24 enzim baru karena dia telah melihatnya — setidaknya dalam rendering 3D yang disediakan oleh para peneliti di DeepMind, anak perusahaan Alphabet. Dikenal karena memetakan "seluruh dunia protein", DeepMind mengkarakterisasi enzim-enzim ini dengan alat pembelajaran mendalamnya, AlphaFold, sehingga tim dapat membandingkan enzim secara berdampingan dan melihat perbedaannya.

Semua alat memiliki kemampuan untuk mendekonstruksi PET, namun ada beberapa yang terlihat sangat berbeda. Menurut Gado, rendering DeepMind memberikan petunjuk berharga tentang bagaimana dekonstruksi plastik bekerja pada PET.

“Metode AI yang canggih membantu kita menemukan pola dalam data enzim, yang akan meningkatkan pemahaman kita tentang apa yang membuat enzim plastik bagus untuk dimakan,” tambah Gado. “Ini akan memungkinkan kita meningkatkan enzim dengan rekayasa protein dan menemukan enzim lain di alam yang memiliki kinerja serupa.”

Ini merupakan langkah maju bagi tim peneliti yang sudah produktif dan langkah menuju daur ulang PET skala besar.

— 3 —

Lebih murah dan ramah lingkungan

Analisis ini mengukur keuntungan dari pemulihan PET enzimatik

Menurut Beckham, pembersihan, pencacahan, dan pemanasan – langkah-langkah yang diperlukan untuk mempersiapkan penguraian PET – merupakan salah satu pendorong keberlanjutan yang paling penting untuk fasilitas daur ulang enzim skala industri.

“Meminimalkan langkah-langkah pra-perlakuan ini sangat penting untuk membuat biaya pemulihan enzim menjadi kompetitif dibandingkan dengan memproduksi resin PET dari minyak bumi,” jelasnya.

Para ilmuwan di NREL University dan UoP telah mengembangkan platform enzimatik yang hemat biaya dan ramah lingkungan yang dapat dengan cepat memecah PET pasca-konsumen menjadi bahan kimia yang identik, asam tereftalat (TPA) dan etilen glikol (EG).

Dalam percobaan berikutnya, tim menemukan bahwa beberapa enzim yang diberi label dengan metode pembelajaran mesin sama efektifnya dalam memecah PET kristal dan amorf. Enzim-enzim ini tidak memerlukan perlakuan awal sama sekali untuk membantu melunakkan pengikatan plastik.

“Dengan menghilangkan pretreatment, teknologi ini memungkinkan daur ulang PET skala industri, yang sebenarnya lebih murah dibandingkan menggunakan minyak bumi untuk memproduksi PET murni,” kata Beckham menambahkan. “Yang lebih baik lagi, hal ini dapat mengurangi energi terkait dan emisi gas rumah kaca.”

Dalam artikel sebelumnya yang diterbitkan di Joule pada tahun 2021, tim telah menghitung keuntungan ekonomi dan lingkungan dari penggunaan enzim aktif pada kristal PET. Di fasilitas skala industri, hal ini dapat mengurangi permintaan energi rantai pasokan sebesar 45% dan emisi gas rumah kaca siklus hidup sebesar 38% dibandingkan dengan sistem yang menggunakan perlakuan awal.

Keuntungan ekonominya juga sama mengesankannya. Ketika membuang karpet dan pakaian PET – yang tidak dapat didaur ulang dengan teknik konvensional – mereka juga dapat menghasilkan asam tereftalat dengan harga kurang dari $1 per kilogram. Asam tereftalat yang berasal dari minyak bumi secara historis dijual dengan harga $1 hingga $1,50 per kilogram.

“Platform enzim kami menciptakan insentif ekonomi untuk membersihkan lautan kita,” kata Erika Erickson, mantan peneliti pascadoktoral NREL yang melakukan banyak penelitian eksperimental di balik penelitian ini. “Pada titik harga seperti itu, kontaminasi PET dapat didaur ulang menjadi produk PET baru dengan biaya terjangkau atau digunakan dalam bilah turbin angin atau bumper serat karbon.”

Produk PET pasca-konsumen, yang seringkali menjadi sumber polusi saat ini, dapat diubah menjadi sumber daya berharga untuk mendukung perekonomian plastik yang lebih ramah lingkungan.

Tidak sulit membayangkan bagaimana hal ini akan mengubah keadaan mengenai plastik: biaya daur ulang PET sangat rendah sehingga perekonomian lebih memilih membuangnya ke tempat sampah daur ulang daripada ke tempat sampah. T-shirt, permadani, botol soda – semuanya dimasukkan ke dalam dan sebagai bahan penyusun, mulailah perjalanan melingkar mereka untuk menciptakan dunia yang lebih bersih dan hijau.

Membagikan: