NREL và các cộng tác viên đã thực hiện những cải tiến quan trọng ở từng giai đoạn của quy trình tái chế enzyme—từ phân hủy nhựa đến thu hồi hiệu quả các khối xây dựng để tạo ra vật liệu giá trị cao—mang lại một quy trình khả thi về mặt kinh tế cho ngành công nghiệp. Ảnh từ NREL (hàng sau, từ trái sang phải): Manar Alherech, John E. McGeehan, Stephen H. Dempsey, Gregg T. Beckham; (hàng trước, từ trái sang phải): Kelsey J. Ramirez, Natasha P. Murphy, Jason S. DesVeaux, Christine A. Singer, Hannah M. Alt, Elizabeth L. Bell. Ảnh: Josh Bauer, NREL
Sự hợp tác thành công giữa ba viện nghiên cứu đã tạo ra lộ trình hướng tới một quy trình khả thi về mặt kinh tế để sử dụng enzyme nhằm tái chế nhựa .
Các nhà nghiên cứu từ NREL, Đại học Massachusetts Lowell và Đại học Portsmouth ở Anh trước đây đã hợp tác trong lĩnh vực kỹ thuật sinh học để tạo ra các enzyme PETase cải tiến có khả năng phân hủy polyethylene terephthalate (PET). Với chi phí sản xuất thấp và các đặc tính vật liệu tuyệt vời, PET được sử dụng rộng rãi trong bao bì dùng một lần, chai nước ngọt và hàng dệt may.
Nghiên cứu mới kết hợp nghiên cứu cơ bản trước đây với kỹ thuật hóa học tiên tiến, phát triển quy trình và phân tích kinh tế kỹ thuật để đặt nền móng cho việc tái chế PET dựa trên enzyme ở quy mô công nghiệp.
Mặc dù các phương pháp hiện tại để tái chế PET đã có, nhưng chúng thường không tương thích với rác thải nhựa chất lượng thấp thông thường. Một giải pháp tiềm năng nằm ở enzyme, có khả năng phân hủy PET một cách chọn lọc, ngay cả từ các dòng rác thải nhựa bị ô nhiễm và có màu. Thiết kế mới của các nhà nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến ở từng giai đoạn của quy trình, từ việc phân hủy nhựa bằng enzyme, đến việc thu hồi hiệu quả các khối cấu trúc (monome) tạo thành. Các monome này có thể được sử dụng để sản xuất nhựa mới hoặc tái chế để tạo ra vật liệu có giá trị cao hơn, giúp tiết kiệm năng lượng và tài nguyên.
Chìa khóa để hiện thực hóa quy trình này là giảm nhu cầu năng lượng và chi phí, từ đó tạo ra sản phẩm rẻ hơn. Nhóm nghiên cứu đã đạt được điều này bằng những cải tiến giúp thay đổi điều kiện phản ứng và công nghệ tách, giúp giảm hơn 99% lượng axit và bazơ bổ sung đắt đỏ, giảm 74% chi phí vận hành hàng năm và giảm 65% mức tiêu thụ năng lượng.
Gregg Beckham, nghiên cứu viên cao cấp tại NREL và đồng chủ trì nghiên cứu, cho biết: “Mặc dù tái chế bằng enzyme có nhiều ưu điểm đối với các dòng chất thải nhựa phức tạp, lĩnh vực này vẫn gặp phải nhiều thách thức để triển khai thực tế. Chúng tôi đã áp dụng một phương pháp tiếp cận đa ngành, kết hợp nhiều cải tiến để hiện thực hóa một quy trình khả thi về mặt kinh tế và có thể mở rộng quy mô.”
Chi phí mô hình hóa của PET tái chế bằng enzyme hiện nay thấp hơn chi phí của PET nguyên chất sản xuất trong nước tại Hoa Kỳ (1,51 đô la/kg so với 1,87 đô la/kg), khiến đây trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho ngành đầu tư và mở rộng quy mô.
Theo một nghiên cứu năm 2022 của NREL, 86% nhựa đã được chôn lấp tại Hoa Kỳ vào năm 2019 – những vật liệu có đủ năng lượng tích hợp để cung cấp 5% nhu cầu điện năng của ngành giao thông vận tải Hoa Kỳ. Với sản lượng nhựa toàn cầu dự kiến sẽ tăng từ hai đến bốn lần mức hiện tại vào năm 2050, việc thu hồi và tận dụng thêm nhựa sau tiêu dùng là một cơ hội để tái tạo nguồn năng lượng đó cho sản xuất vật liệu trong nước.
Natasha Murphy, nhà hóa sinh tại NREL và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo mới, cho biết: “Chúng tôi thấy một cơ hội quan trọng để thiết kế, thử nghiệm và tối ưu hóa các công nghệ tái chế mới nhằm nâng cao giá trị nhựa sau tiêu dùng thành nguyên liệu đầu vào cho các vật liệu mới”.
Bài báo “Đổi mới quy trình để tái chế poly(ethylene terephthalate) bằng enzyme khả thi” đã được đăng trên tạp chí Nature Chemical Engineering. Các đồng tác giả khác từ NREL là Stephen Dempsey, Jason DesVeaux, Taylor Uekert, Swarnalatha Mailaram, Manar Alherech, Hannah Alt, Kelsey Ramirez, Brenna Norton-Baker, Elizabeth Bell, Christine Singer và John McGeehan.
McGeehan, người mới gia nhập NREL từ Đại học Portsmouth, cho biết: “Tôi rất vui khi được trở thành một phần của nhóm chuyên chuyển đổi khoa học cơ bản thành ứng dụng thực tế và mong muốn được hợp tác chặt chẽ giữa NREL và các đối tác trong ngành để đẩy nhanh quá trình thiết kế và xây dựng nhà máy tái chế nhựa bằng enzyme đầu tiên tại Hoa Kỳ.”
Kinh phí nghiên cứu đến từ Văn phòng Công nghệ Sản xuất và Vật liệu Tiên tiến và Văn phòng Công nghệ Năng lượng Sinh học thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Công trình này được thực hiện như một phần của dự án Công nghệ Tối ưu Sinh học nhằm Loại bỏ Nhựa Nhiệt dẻo khỏi Bãi chôn lấp và Môi trường (BOTTLE).
Nguồn: NREL