Le recyclage enzymatique du PET des vêtements et des tapis réduit le prétraitement ou est moins cher que la fabrication du pétrole- Jiaxing Fuda Chemical Fiber Factory

Chercheur principal au National Renewable Energy Laboratory (NREL) aux États-Unis La réalité est que la plupart des produits en PET, en particulier les vêtements et les tapis en PET, ne sont aujourd'hui pas recyclés à l'aide des techniques de recyclage traditionnelles. La communauté des chercheurs développe des alternatives prometteuses, notamment des enzymes visant à dépolymériser le PET, mais même ces choix reposent souvent sur une consommation d'énergie élevée et des étapes de prétraitement coûteuses pour être efficaces.

Les chercheurs Jaffes Gardo (à gauche), Erica Erickson (à droite) et leurs collègues ont découvert et caractérisé des enzymes qui dégradent le PET cristallin, un plastique utilisé dans les bouteilles de boissons jetables, les tapis, les vêtements et les emballages alimentaires.

Par conséquent, la majeure partie du PET produit aujourd’hui finit dans les décharges ou dans l’environnement – même les produits PET qui entrent effectivement dans les stations de recyclage.

Néanmoins, Beckham a déclaré que les choses évoluent rapidement et que les méthodes avancées d’apprentissage automatique et de biologie synthétique ont donné aux scientifiques une compréhension sans précédent de la biologie fondamentale des enzymes déconstructrices de la TEP. Récemment, Beckham et ses collègues de l'Université de Portsmouth et de la Montana State University ont utilisé ces méthodes pour découvrir de nouvelles variantes enzymatiques, qui devraient déconstruire le PET le plus difficile sans prétraitement supplémentaire.

Cela signifie non seulement que nous sommes à l'avant-garde du recyclage enzymatique de toutes les formes de PET, y compris les tapis et les vêtements, mais cela signifie également que le recyclage du PET pourrait bientôt être moins cher que la fabrication du PET à partir de zéro avec du pétrole.

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Enzymes cachées dans le sol

Le concept de récupération enzymatique du PET est connu depuis 2005, mais après des découvertes étonnantes par des scientifiques japonais, il a fait ses débuts sur la scène mondiale en 2016. Enfouie dans le sol à l'extérieur d'une installation de recyclage au Japon, une enzyme qu'ils appellent discrètement Ideonella sakaiensis. secrète pour décomposer les vieilles bouteilles de boissons en plastique éparpillées.

La nature offre une excellente solution pour rompre les liaisons chimiques du PET. Pour une raison quelconque, la nature montre comment réduire les bouteilles PET à leurs composants de base : l'acide téréphtalique et l'éthylène glycol.

Une série d'études a suivi. Les scientifiques tentent d'améliorer les enzymes utilisées dans la technologie industrielle pour traiter des millions de tonnes de PET produites chaque année. Ils supposent que si elle est améliorée, la plateforme de recyclage enzymatique peut complètement changer les systèmes de recyclage sous-performants actuels, réduire les émissions d'énergie et de gaz à effet de serre et promouvoir une économie circulaire pour tous les produits en PET - même les tapis et les tissus qui ne peuvent pas être recyclés à l'aide des technologies traditionnelles.

Alors que les chercheurs réalisent le potentiel de l'utilisation d'enzymes pour décomposer les plastiques, de nouveaux articles du monde entier ont illuminé la littérature scientifique ", a déclaré John McGeehan, un scientifique de l'équipe de l'Université de Portsmouth (UoP) au Royaume-Uni. Des experts de différents domaines tels que car les produits pharmaceutiques et les biocarburants peuvent réutiliser des décennies d’expérience en recherche pour modifier les enzymes

La plateforme de récupération enzymatique de la société NREL/UoP décompose efficacement la matière première plastique PET (à gauche) en ses unités structurelles chimiques. L'échantillon PET de droite a diminué en masse de 97,7 % après avoir été hydrolysé par des enzymes de la société NREL/UoP.

En fait, dans une série d’articles fréquemment cités et publiés entre 2018 et 2021, Beckham, McGihan et leurs collègues ont caractérisé des enzymes qui multipliaient par six leur efficacité et analysé les impacts environnementaux et économiques du recyclage du PET à l’échelle industrielle. L’article correspondant de 2022 évalue l’impact du cycle de vie sur les futurs systèmes de récupération enzymatique du PET.

Ces études ont donné des résultats remarquables. En traitant le PET dans un bioréacteur pendant 48 heures, ils ont montré qu'il est possible de convertir près de 98 % du plastique en acide téréphtalique et en éthylène glycol – des matériaux de construction recyclés de haute qualité utilisés pour fabriquer de nouvelles bouteilles en PET, et même des plastiques avancés qui sont plus facile à recycler.

"Travailler dans un domaine qui connaît une croissance si rapide est une expérience incroyable", a ajouté McGihan. "Nous atteignons un point où la science collaborative présente un énorme potentiel pour accélérer le développement et le déploiement à grande échelle de solutions basées sur les enzymes."

Malgré des progrès rapides, un obstacle majeur au recyclage des enzymes à l’échelle industrielle se profile.

Cette enzyme n'est efficace que contre un faible pourcentage de produits PET, ceux fabriqués à partir de PET « amorphe ». Sans les ramollir au préalable avec des températures élevées et une énergie supplémentaire, ils ont travaillé dur pour déconstruire les variétés très courantes et durables de « cristaux » de PET. Le PET cristallin représente près de 90 % de tous les produits PET, y compris les fibres de polyester utilisées dans les vêtements et certaines bouteilles de boissons à usage unique.

Les scientifiques ont besoin d’enzymes plus efficaces pour décomposer le PET cristallin et, espérons-le, ils pourront trouver d’autres enzymes mangeuses de plastique cachées dans la saleté.

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Utiliser l'apprentissage automatique pour « exploiter » de nouvelles enzymes

Heureusement, l’équipe n’a pas besoin d’une pelle pour rechercher de nouvelles variétés d’enzymes, et les progrès de la bioinformatique et de l’apprentissage automatique ont permis de rechercher diverses enzymes actives sur le PET cristallin dans une vaste base de données de séquences enzymatiques existantes.

"Les méthodes traditionnelles permettant de trouver de nouvelles enzymes mangeuses de plastique à partir de bases de données peuvent s'avérer inefficaces, car les enzymes dont la composition chimique est très similaire ne conservent pas nécessairement leur activité de déstructuration du plastique", a déclaré Japhaus Gado, chercheur en informatique au NREL.

Pour relever ce défi, Gado a construit un modèle statistique pour apprendre les règles biologiques des enzymes connues de dégradation du plastique. Le modèle attribue des probabilités à la composition unique des enzymes étudiées jusqu'à présent. Gado a également construit un modèle d'apprentissage automatique pour prédire la tolérance à la chaleur des enzymes, ce qui est important pour les applications industrielles.

Le rendu 3D de DeepMind a révélé des caractéristiques structurelles inattendues, telles que l'enzyme 611 sur la figure. Une analyse minutieuse des signatures structurelles de protéines comme l'enzyme 611 pourrait aider l'équipe à améliorer ses performances.

Ensemble, ces deux modèles informatiques permettent à Gado et à ses collègues de se projeter en territoire inexploré. En moins d’une heure, ils ont examiné plus de 2 millions de protéines, créant ainsi une courte liste de candidats prometteurs. Des tests plus approfondis ont confirmé que 5 d'entre eux étaient capables de déconstruire le PET, 36 qui n'avaient pas encore été décrits dans la littérature scientifique.

Il est important de noter que certains sont encore plus efficaces pour décomposer le PET cristallin que le PET amorphe.

"Ces nouvelles enzymes ne sont pas seulement génétiquement diverses", explique Gado. "Ils ont des structures différentes et des géométries différentes des centres actifs."

Gado peut parler avec confiance de la structure des 24 nouvelles enzymes, car il les a vues ressembler – du moins dans les rendus 3D fournis par les chercheurs de DeepMind, une filiale d'Alphabet. Connu pour avoir cartographié « l'univers entier des protéines », DeepMind a caractérisé ces enzymes avec son outil d'apprentissage profond, AlphaFold, afin que l'équipe puisse comparer les enzymes côte à côte et remarquer leurs différences.

Tous les outils ont la capacité de déconstruire le PET, mais certains semblent remarquablement différents. Selon Gado, les rendus de DeepMind fournissent des indices précieux sur la manière dont les déconstructions plastiques agissent sur le PET.

"Les méthodes d'IA de pointe nous aident à trouver des modèles dans les données sur les enzymes, ce qui améliorera notre compréhension de ce qui constitue de bonnes enzymes comestibles en plastique", a ajouté Gado. "Cela nous permettra d'améliorer les enzymes grâce à l'ingénierie protéique et de trouver d'autres enzymes dans la nature qui fonctionnent de manière similaire."

Il s’agit d’un pas de plus pour une équipe de recherche déjà prolifique et d’un pas de plus vers le recyclage du PET à grande échelle.

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Moins cher et plus écologique

L'analyse a quantifié les avantages de la récupération enzymatique du PET

Selon Beckham, le nettoyage, le déchiquetage et le chauffage – les étapes nécessaires à la préparation de la décomposition du PET – comptent parmi les facteurs de durabilité les plus importants pour les installations de recyclage d'enzymes à l'échelle industrielle.

"Il est essentiel de minimiser ces étapes de prétraitement pour rendre les coûts de récupération des enzymes compétitifs par rapport à la production de résine PET à partir du pétrole", explique-t-il.

Les scientifiques de l'Université NREL et de l'UoP ont développé une plate-forme enzymatique rentable et respectueuse de l'environnement, capable de décomposer rapidement le PET post-consommation en éléments chimiques identiques, l'acide téréphtalique (TPA) et l'éthylène glycol (EG).

Lors d’expériences ultérieures, l’équipe a remarqué que certaines enzymes marquées par leur méthode d’apprentissage automatique étaient tout aussi efficaces pour décomposer le PET cristallin et amorphe. Ces enzymes ne nécessitent aucun prétraitement pour aider à adoucir la liaison des plastiques.

"En éliminant le prétraitement, la technologie permet le recyclage du PET à l'échelle industrielle, ce qui est en réalité moins cher que l'utilisation du pétrole pour produire du PET vierge", a-t-il ajouté. "Mieux encore, cela peut réduire l'énergie associée et les émissions de gaz à effet de serre."

Dans un article antérieur publié dans Joule, en 2021, l’équipe avait quantifié les avantages économiques et environnementaux de l’utilisation d’enzymes actives sur du PET cristallin. Dans les installations à l'échelle industrielle, cela peut réduire la demande énergétique de la chaîne d'approvisionnement de 45 % et les émissions de gaz à effet de serre pendant le cycle de vie de 38 % par rapport aux systèmes utilisant le prétraitement.

Les avantages économiques sont tout aussi impressionnants. En jetant les tapis et les vêtements en PET – qui ne peuvent pas être recyclés avec les techniques conventionnelles – ils peuvent également produire de l'acide téréphtalique pour moins d'un dollar le kilogramme. L'acide téréphtalique dérivé du pétrole a toujours été vendu entre 1 et 1,50 dollar le kilogramme.

"Notre plateforme enzymatique crée une incitation économique à nettoyer nos océans", a déclaré Erika Erickson, ancienne chercheuse postdoctorale du NREL qui a mené une grande partie du travail expérimental à l'origine de ces études. "À de tels prix, la contamination par le PET peut être recyclée à moindre coût dans de nouveaux produits PET ou trouver de nouvelles utilisations dans les pales d'éoliennes ou les pare-chocs en fibre de carbone."

Les produits PET post-consommation, souvent sources de pollution actuelles, peuvent être transformés en ressources précieuses pour soutenir une économie du plastique plus durable sur le plan environnemental.

Il n’est pas difficile d’imaginer à quel point cela changerait la donne sur le plastique : le recyclage du PET coûte si bas que les considérations économiques privilégient sa mise à la poubelle plutôt que sa mise à la poubelle. Un T-shirt, un tapis, une bouteille de soda – tout est mis dedans et comme élément de base, commencez leur voyage circulaire pour créer un monde plus propre et plus vert.