Активность фермента для переработки ПЭТ повысили почти в десять раз

Ученые из Королевского колледжа Лондона и Ратгерского университета в Нью-Джерси предложили способ повысить эффективность ферментативной переработки полиэтилентерефталата (ПЭТ). Они химически модифицировали поверхность фермента кутиназы и подобрали для него среду на основе ионной жидкости.

В опытах с порошком ПЭТ скорость разрыва химических связей в полимере выросла в 9,2 раза, а общее число реакций за время эксперимента — примерно в 9,5 раза. При этом исследователи использовали в десять раз меньше фермента. Результаты опубликованы в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Зачем ПЭТ расщепляют на исходные компоненты

ПЭТ используют в производстве бутылок, пищевой упаковки, одежды и других изделий. Распространенный способ его переработки — переплавка с последующим формованием. Однако повторные циклы могут снижать качество материала, а часть отходов для такой переработки не подходит.

Альтернатива — расщепить полимер на исходные химические компоненты, из которых можно снова получить пластик. Ферменты помогают разрывать связи в полимерной цепи, но многие из них действуют слишком медленно и теряют активность по мере реакции.

Модифицированная кутиназа работала не менее семи дней

Для экспериментов команда выбрала природный фермент кутиназу, способный расщеплять ПЭТ. Химическая модификация его поверхности повысила устойчивость к нагреву и условиям реакционной среды.

Ионная жидкость, в свою очередь, помогает ослабить плотно упакованную структуру ПЭТ и сделать химические связи доступнее для фермента. Она также позволяет проводить реакцию при высоких температурах, когда полимер легче поддается расщеплению.

В опытах с порошком ПЭТ модифицированный фермент поддерживал стабильную скорость расщепления не менее семи дней. Немодифицированная кутиназа в воде заметно теряла активность уже после первых суток; период ее работы составлял около 36 часов.

Метод проверили и на хлопьях, нарезанных из использованной бутылки для напитков. Предварительный нагрев или другая обработка, облегчающая расщепление пластика, не потребовались.

Жидкость удалось вернуть в процесс, фермент — пока нет

В лабораторном эксперименте исследователи вернули для повторного использования 97,1% ионной жидкости. Они также выделили в виде чистого порошка терефталевую кислоту — один из основных компонентов ПЭТ. Потенциально ее можно использовать для производства нового пластика, сокращая потребность в первичном сырье ископаемого происхождения.

Однако после процедуры извлечения фермент перестал эффективно работать. Сейчас команда совершенствует его восстановление, чтобы повторно использовать не только жидкость, но и сам фермент.

Длительное сохранение активности может снизить расход фермента, а возврат жидкой среды — затраты на материалы. Насколько выгодным окажется процесс в производстве, еще предстоит установить.

Пять часов на расщепление ПЭТ — пока расчет, а не результат опыта

В работе не испытывали наиболее совершенные ферменты, специально разработанные для расщепления ПЭТ. Кутиназу использовали как модель, чтобы проверить, насколько изменение свойств фермента и окружающей среды повышает эффективность процесса при меньшем расходе фермента.

В предыдущих исследованиях специально сконструированные ферменты обеспечивали высокую степень расщепления отдельных форм ПЭТ примерно за двое суток. Авторы новой работы предполагают, что применение их подхода к таким ферментам могло бы сократить время почти полного расщепления примерно до пяти часов и существенно уменьшить расход воды. Это оценка на основе опубликованных ранее результатов, а не показатель, подтвержденный в текущих экспериментах.

До промышленного внедрения необходимо отработать возврат фермента, определить энергозатраты и оценить экономические и экологические показатели всего процесса.