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製品に関するご相談
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米国国立再生可能エネルギー研究所 (NREL) の主任研究員 現実には、ほとんどの PET 製品、特に PET 衣類やカーペットは、現在、従来のリサイクル技術ではリサイクルされていません。研究コミュニティは、PETの解重合を目的とした酵素など、有望な代替手段を開発していますが、これらの選択肢でさえ、効果を発揮するには多くの場合、高エネルギー消費と高コストの前処理ステップに依存しています。
研究者のJaffes Gardo氏（左）、Erica Erickson氏（右）らは、使い捨ての飲料ボトル、カーペット、衣料品、食品の包装に使用されるプラスチックである結晶PETを分解する酵素を発見し、その特徴を明らかにした。
したがって、今日生産される PET のほとんどは、最終的に埋め立て地または環境に排出され、実際にリサイクル ステーションに投入される PET 製品も含まれます。
それにもかかわらず、ベッカム氏は、状況は急速に変化しており、機械学習と合成生物学の高度な手法により、科学者はPET分解酵素の基本的な生物学について前例のない理解を得ることができたと述べた。最近、ポーツマス大学とモンタナ州立大学のベッカム氏と同僚は、これらの方法を利用して、追加の前処理なしで最も困難な PET を分解できると期待される新しい酵素変異体を発見しました。
これは、当社がカーペットや衣類を含むあらゆる形態の PET の酵素リサイクルの最前線にいることを意味するだけでなく、石油を使って最初から PET を製造するよりも、PET のリサイクルの方が間もなく安価になる可能性があることを意味します。
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土の中に隠れた酵素
PET における酵素回収の概念は 2005 年から知られていましたが、日本の科学者が驚くべき発見をした後、2016 年に世界の舞台にデビューしました。日本のリサイクル施設の外の土の中に、彼らがひそかに「イデオネラ サカイエンシス」と呼ぶ酵素が埋められていました。散乱した古いペットボトルを分解する分泌物。
自然は、PET の化学結合を破壊するための優れた解決策を提供します。何らかの理由で、自然はペットボトルをその基本成分であるテレフタル酸とエチレングリコールに減らす方法を実証しています。
一連の研究が続いた。科学者たちは、年間何百万トンも生産される PET を処理するための工業技術で使用される酵素を強化しようと試みています。彼らは、酵素リサイクルプラットフォームが改善されれば、今日のパフォーマンスの低いリサイクルシステムを完全に変え、エネルギーと温室効果ガスの排出を削減し、従来の技術ではリサイクルできないカーペットや布地を含むすべてのPET製品の循環経済を促進できると想定しています。
研究者らが酵素を使ってプラスチックを分解する可能性を認識するにつれ、世界中からの新しい論文が科学文献に光を当てている」と英国のポーツマス大学（UoP）チームの科学者ジョン・マクギーハン氏は述べた。医薬品やバイオ燃料は酵素を修飾するために数十年にわたる研究経験を再利用できるため
NREL/UoP 社の酵素回収プラットフォームは、PET プラスチック原料 (左) を化学構造単位に効果的に分解します。右側の PET サンプルは、NREL/UoP 社の酵素によって加水分解された後、質量が 97.7% 減少しました。
DeepMind の 3D レンダリングにより、図の酵素 611 などの予期せぬ構造的特徴が明らかになりました。酵素 611 などのタンパク質の構造的特徴を注意深く分析することは、チームのパフォーマンス向上に役立つ可能性があります。
これら 2 つの計算モデルを組み合わせることで、Gado と彼の同僚は未知の領域への計画を立てることができます。 1 時間以内に、彼らは 200 万以上のタンパク質をスクリーニングし、有望な候補の短いリストを作成しました。さらなるテストにより、5 つが PET を分解できることが確認され、36 つはこれまで科学文献に記載されていなかった。
重要なのは、非晶質 PET よりも結晶質 PET の分解に優れているものもあります。
「これらの新しい酵素は、遺伝的に多様性があるだけではありません」とガド氏は説明する。 「それらは異なる構造と異なる活性中心の形状を持っています。」
ガド氏が自信を持って 24 種類の新しい酵素の構造について話すことができるのは、少なくともアルファベットの子会社であるディープマインドの研究者が提供した 3D レンダリングで、それらがどのように見えるかを見たからだ。 「タンパク質の世界全体」のマッピングで知られる DeepMind は、深層学習ツール AlphaFold を使用してこれらの酵素を特徴づけ、チームが酵素を並べて比較し、その違いに気づくことができるようにしました。
すべてのツールには PET を分解する機能がありますが、見た目が著しく異なるツールがいくつかあります。 Gado 氏によると、DeepMind のレンダリングは、プラスチック分解酵素が PET にどのように作用するかについて貴重な手がかりを提供します。
「最先端の AI 手法は、酵素データのパターンを見つけるのに役立ちます。これにより、優れた食用プラスチック酵素の作り方についての理解が深まります」とガド氏は付け加えました。 「これにより、タンパク質工学によって酵素を改良し、同様の働きをする自然界の他の酵素を見つけることが可能になります。」
これは、すでに多大な成果を上げている研究チームのさらなる前進であり、大規模な PET リサイクルに向けた新たな一歩です。
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より安く、より環境に優しい
この分析により、酵素による PET 回収の利点が定量化されました。
ベッカム氏によると、洗浄、細断、加熱（PET の分解の準備に必要な手順）は、工業規模の酵素リサイクル施設にとって最も重要な持続可能性推進要因の 1 つです。
「石油から PET 樹脂を製造する場合と比較して、酵素回収コストを競争力のあるものにするためには、これらの前処理ステップを最小限に抑えることが重要です」と彼は説明します。
NREL 大学と UoP の科学者は、使用済み PET を同一の化学構成要素であるテレフタル酸 (TPA) とエチレングリコール (EG) に迅速に分解できる、費用対効果が高く環境に優しい酵素プラットフォームを開発しました。
その後の実験で、研究チームは、機械学習手法で標識されたいくつかの酵素が、結晶性PETと非晶質PETを分解するのに同等に効果的であることに気づきました。これらの酵素は、プラスチックの結合を柔らかくするために前処理をまったく必要としません。
「前処理を省略することで、この技術により産業規模でのPETリサイクルが可能になり、実際にはバージンPETを製造するために石油を使用するよりも安価になる」とベッカム氏は付け加えた。 「さらに良いことに、関連するエネルギーと温室効果ガスの排出も削減できます。」
2021年にジュール誌に掲載された以前の記事で、研究チームは結晶PETに活性酵素を使用することの経済的および環境的利点を定量化した。産業規模の施設では、前処理を使用するシステムと比較して、サプライチェーンのエネルギー需要を 45% 削減し、ライフサイクルの温室効果ガス排出量を 38% 削減できます。
経済的な利点も同様に印象的です。従来の技術ではリサイクルできない PET カーペットや衣類を廃棄する場合、1 キログラムあたり 1 ドル未満でテレフタル酸を生成することもできます。石油由来のテレフタル酸はこれまで、1 キログラムあたり 1 ドルから 1.50 ドルで販売されてきました。
「私たちの酵素プラットフォームは、海洋を浄化する経済的インセンティブを生み出します」と、これらの研究の裏で実験作業の多くを行った元NREL博士研究員エリカ・エリクソン氏は述べた。 「このような価格帯であれば、PET汚染物を手頃な価格で新しいPET製品にリサイクルしたり、風力タービンのブレードや炭素繊維バンパーに新たな用途を見出すことができます。」
今日の汚染源となることが多い消費者使用後の PET 製品は、より環境的に持続可能なプラスチック経済をサポートするための貴重な資源に変えることができます。
これがプラスチックに関する話にどのような変化をもたらすか想像するのは難しくありません。PET のリサイクルコストは非常に低いため、経済学ではゴミではなくリサイクル箱に捨てることが推奨されています。 T シャツ、敷物、ソーダのボトルなど、あらゆるものを入れて構成要素として、よりクリーンで環境に優しい世界を作るための循環の旅が始まります。
