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塑料10小时剖析90% 研发者:正加快到中国设计(组图)

澳洲啦 澳洲新闻 2020-05-25 23:32:26 79 0

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塑料,几乎是当代人类生活已离不开的一种材料,但普遍运用以后发作的大批垃圾也日渐成为大天然的恶疾。

依据团结国环境规划署的数据统计,住手 2018 年,环球每一年发作的塑料废物已超 3 亿吨,个中凌驾 800 万吨的塑料会进入海洋,而据估计,自 1950 年代以来,环球已累计生产了凌驾 80 亿吨塑料,个中约 60% 终究进入了生态环境或垃圾填埋场,很多塑料垃圾须要数十年以致上百年的时候才天然剖析掉。

如今,事变的起色要来了。

来自法国 “绿色化学” 公司 Carbios 和图卢兹大学的科学家们设想出一种革新的 PET 水解酶,不仅能够快速将 PET 塑料垃圾转化回原始材料,还能用于制作新的食品级塑料瓶,该结果不久前曾登上 Nature 封面, Science 也举行了报导,被称作是“向前迈出了一大步。”

Carbios 公司的副总裁 Martin Stephan 在复兴 DeepTech 的邮件中示意,团队设计在 2022-2023 年将该手艺受权给部份 PET 生产商,大规模化的贸易运用大概会在 2024-2025 年之间正式启动。






图|马尔代夫的 Thilafushi 岛上,人们抛弃的塑料瓶垃圾被堆积如山,形成了“垃圾岛”(泉源:东方 IC)

塑料接纳的困难

烧毁塑料的接纳应用并非网络起来就完事了,症结是后续处置惩罚。

以?聚对苯二甲酸乙二酯(PET)为例,这是现在天下上最经常运用的塑料之一,每一年产量约 7000 万吨,被普遍用于制作饮料的瓶子、零售的包装,以及聚酯纤维、电子产品器件等范畴,但个中唯一约莫 30%的塑料被接纳,一般会经由热降解手艺变成强度下降、机械机能丧失的次档塑料,这些塑料会被制成塑料地毡或其他更初级的塑料纤维,终究照样难逃被填埋或焚化,完整算不上是真正完成了轮回应用。

而且,出于接纳本钱和降解手艺复杂度的考量,更多的塑料生产企业首选的体式格局照样从新合成 PET 塑料,这致使新的 PET 垃圾每一年仍会延续蕴蓄。

PET 具有高比例的芳香族对苯二甲酸酯单位(可下降链迁移率),是一种极难水解的聚酯。简朴来说,这类塑料它具有较好的稳固性,具有质量轻、抗冲击、耐委靡、抗蠕变性、耐酸碱、耐水、耐油等一系列长处,化学惰性超强,但假如它成了垃圾,就很难剖析处置惩罚,长处秒变瑕玷。

针对如许的垃圾,研讨人员发明的一种新的 PET 水解酶显现出了惊人的结果,该酶在 10 小时内终究完成了把最少 90%的 PET 解聚为单体,生产率为每升每小时 16.7 克对苯二甲酸酯(200 克 / 公斤 PET 悬浮液,酶浓度为 3 毫克 / 克 PET ),这类高效、优化的酶机能优于迄今为止已知的一切 PET 水解酶。

同时试考证实,经由过程这类酶解聚的 PET 废物能够再次生产出生物接纳 PET,而且与石化 PET 具有雷同的特征,有望真正完成轮回 PET 经济的观点。




图|接纳站被紧缩打包的塑料瓶(泉源:ISTOCKPHOTO)

寻觅最强突变酶

这里有一个手艺点是,玻璃化转变温度是材料的一个重要特征参数,材料的很多特征都在玻璃化转变温度四周发作急剧的变化。

而任何现实的酶法 PET 接纳运用都须要蛋白质在 PET 玻璃化转变温度四周具有动力学稳固性,即 70°C。?早先,研讨人员运用了市售的无定形 PET(Gf-PET,由供应商 Goodfellow 供应)来比较已知的几种酶在最好条件下水解 PET 的活性,这几种酶包含 Thermobifida fusca hydrolases(BTA1 和 BTA2)、Fusarium solani pisi cutinase(FsC)、Ideonella sakaiensis PETase (Is-PETase)以及 leaf-branch compost cutinase (LCC)等。




图|在 PET 解聚试验中,种种水解酶的机能对照(泉源: Nature )

经对照发明,LCC 在 65°C 时对 PET 的初始解聚速度最快,效力最高是其他测试酶的 33 倍,同时还具有最高的热稳固性,是已知能最大限定进步 PET 链的流动性和解聚结果的酶。

但即便如此,LCC 回响反映在 65℃下 3 天后会住手,转化率仅能到达 31%,不过,经由过程在住手的回响反映中增加 LCC,能够恢复初始动力学。因而,为了进步解聚产率,研讨人员试图经由过程酶工程设想来进一步提拔 LCC 的活性和热稳固性,寻觅谁人剖析活性与温度的最好符合点。

提拔活性的症结,是找出 LCC 氨基酸残基中的活性位点举行特异性饱和突变。研讨人员终究挑选了 11 个位点举行靶向突变,发作了 209 种变异。经由一番比对,研讨人员终究将眼光聚焦到了 F243 位置的变体 I 和 W 上睁开进一步剖析,由于它们显现出了更高的活性,同时还锁定了变异体 T96M、Y127G、N246D 和 N246M,这些变异体表现出较高的熔融温度。




图|进步诱变后 LCC 的 PET 解聚比活性(泉源: Nature )

在此基础上,研讨人员在 PET 水解酶中寻觅二价金属连系位点来进步酶的热稳固性,为了下降回响反映本钱和普遍的下流纯化需求,研讨人员优选防止运用盐和增加剂,而是采取了用二硫键庖代二价金属连系位点的替换战略,终究发作了 D238C / S283C 变体。




图|经由过程增加二硫键改良 LCC 的热稳固性(泉源: Nature )

末了,就是举行突变组合了。研讨人员在新的热稳固变异体中增加了致使最高比活性的两个突变,随后又增加了 T96M、Y127G、N246D 和 N246M 突变举行测试,在对照活性和融化温度举行剖析后,四种变异体机能凸起:F243I/D238C/S283C/Y127G(ICCG)、F243I/D238C/S283C/N246M(ICCM)、F243W/D238C/S283C/Y127G(WCCG)和 F243W/D238C/S283C/N246M(WCCM),它们保留了与野生型 LCC 类似或高于野生型 LCC 的比活性。




图|LCC 差别变体的机能革新(泉源: Nature )

研讨人员将 PET 废物举行预处置惩罚(挤压和微粉化)后,对这四种四元变体(ICCG、ICCM、WCCG 和 WCCM)机能举行了评价,终究发如今 72°C 条件下能够最大限定地进步转化率,ICCG 变体在 9.3 小时中取得 90% 的解聚结果,成为个中最好的挑选。

这项试验还顺带估算出,?接纳 1 吨 PET 所需的酶本钱约占原始 PET 吨价钱的 4%,而每公斤酶蛋白质的生产本钱约为 25 美圆。

而且这类新的工艺能够“一石二鸟”。首先是接纳代表 PET 分量重要部份的对苯二甲酸(1 吨 PET 废物可发作 863 公斤对苯二甲酸),并能够将对苯二甲酸单体纯化到 99.8% 以上。而且,在此过程当中,每公斤再生 PET 可发作 0.65 公斤硫酸钠,每一年接纳 10 万吨 PET 就可以发作约 6 万吨硫酸钠,占环球硫酸钠市场的 0.28%(硫酸钠用于洗涤剂、纸张和玻璃行业,每一年产量约 2150 万吨,年增长率为 2.9%)。

塑料大国的压力

Martin Stephan 对 DeepTech 示意,进步对 PET 解聚回响反映只是一个条件,后续的症结步骤还包含星散和纯化单体(PTA 和 MEG)等,4 月 15 日,Carbios 已宣告与 TechnipFMC(德希尼布 FMC,一家跨国石油、天然气公司)在法国里昂竖立一个能考证 Carbios 酶接纳可行性的工场,估计将于 2021 年入手下手首批运营。

“团体来说,这类工艺从经济角度考量是可行的。虽然短期内不能与具有数十年和数亿吨生产履历的石化 PET 比拟,但我们有潜力在本钱上与石化 PET 相称。”

那末,这类解聚酶可否降解并接纳其他材质的塑料垃圾?比方聚乙烯和聚苯乙烯。Martin Stephan 回应说, Nature 文章中形貌的酶只是针对 PET 举行了优化,用于其他聚合物的其他酶的项目还在延续开发。?别的,Carbios 会把手艺结果带到生产和花费 PET 的处所,中国在这两方面都是非常重要的国度,Stephan 示意在加速针对中国市场的拓展设计。

依据 PlasticsEurope 的一份市场报告统计,环球塑料产量在 2018 年打破 3.59 亿吨,中国占天下塑料总产量达 30%,是名不虚传的塑料生产大国,而近年来延续快速增长的网购、快递和外卖,更是致使了塑料垃圾敏捷激增。




图|外卖包装很多都是塑料成品

有研讨统计,2017 年仅中国的在线外卖营业就发作了 160 万吨包装垃圾,这个中包含 120 万吨塑料盒、17.5 万吨一次性筷子、16.4 万吨塑料袋和 4.4 万吨塑料勺子,2018 年这一数字增加到超 200 万吨,处置惩罚压力可谓日趋紧急。

在中国,新一轮的 “限塑令” 正在被加急推出。2020 年 1 月 19 日,国度发改委和生态环境部团结宣布了《关于进一步增强塑料污染治理的看法》,明白了禁限方向和事情目的;2020 年 4 月 10 日,国度发改委已草拟《制止、限定生产、贩卖和运用的塑料成品目次(征求看法稿)》,推进细化各范畴塑料成品禁限生产、贩卖和运用的政策界限和实行规范,涵盖购物袋、农业地膜、医疗成品、一次性餐具、酒店用品、快递包装等多个范畴。

也许能够期待,这类新的解聚酶能为中国海量的塑料垃圾带来一条手艺处理途径。
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