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法團隊改造天然酵素 增食 PET 膠能力萬倍 加快回收膠樽再造

2020/4/10 — 9:00

塑膠回收並非想像中環保:膠樽中只約 30% 的塑膠可循環再用,而且最終會變成強度較低的塑膠,故此我們更應在源頭減廢,少用膠樽。

最新刊於《自然》的研究則指,有團隊已設計出一種酵素 (enzyme) ,可將 90% 相同塑膠轉化為其原始原料。團隊正擴大該技術的規模,並計劃於明年開設示範工廠。

無參與研究的樸茨茅夫大學酵素創新中心總監 John McGeehan 指,研究是環保業界向前邁出的一大步。

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聚對苯二甲酸乙二酯 (PET) 是全球其中一種最常用的塑膠,每年生產總量約為 7,000 萬噸。 PET 膠樽已在許多地方回收,但現時的回收方法存在問題:回收公司通常會混合多種不同顏色的塑膠,一次過將之在高溫融化,生產出灰或黑色的塑膠原料,而很少有公司希望使用這些塑膠來包裝產品。故此,這種回收再造的塑膠通常會變成地毯或其他低級塑膠纖維,最終仍是被堆填或焚化。 McGeehan 認為這根本不是真正的回收。

為了解決問題,不同學者都在微生物中尋找能分解 PET 和其他塑膠的酵素。例如 McGeehan 的團隊於 2018 年在分析細菌 Ideonella sakaiensis 可分解 PET 的酵素 (PETase) 晶體結構時意外製造出突變型的 PETase 增加其分解 PET 的能力

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在 2012 年,大阪大學的研究人員在堆肥中發現了一種稱為葉支堆肥角質酶 (leaf-branch compost cutinase, LLC) ,可切斷 PET 對苯二甲酸酯和乙二醇之間的化學鍵。不過,由於該能力來自 LLC 本身破壞植物葉上的蠟狀保護層的特性, LLC 只能緩慢破壞 PET 化學鍵,並需要在 65°C 的溫度下才能加快 PET 分解的速度至數天內。

可持續塑膠公司 Carbios 的首席科學總監 Alain Marty 與圖盧茲大學的酵素工程專家 Isabelle Andre 合作,試圖再改造 LLC 。團隊首先分析 LLC 的晶體結構,了解哪個關鍵氨基酸是 LLC 結合的位置,以拆開對苯二甲酸酯和乙二醇之間的化學鍵,再了解有甚麼方法在更高溫下令 LLC 持續分解 PET 。

團隊最終製造了數百個突變的 LLC ,改變其與氨基酸接合位,以及令其在高溫下更穩定,再於細菌中將突變 LLC 培植。經過幾輪篩選,團隊找到一種最有效的突變 LLC 分解 PET ,該種 LLC 比天然版本更有效地斷開該個 PET 化學鍵 10,000 倍,並可在更高溫的 72°C 下分解 PET 。

團隊在一個小型融爐中測試該突變 LLC ,發現它可在 10 小時內分解約 180 克 PET 。當團隊將該些原料再造時,亦可再成為與原本強度相似的 PET 膠樽。

技術在經濟上是否可行尚不清楚,但 McGeehan 指,技術一個主要優點是該 LLC 可輕鬆地由含有 PET 以外其他塑膠混合物,製成純 PET 原料。這是因為突變LLC 只會破壞 PET 的化學鍵,使其恢復原始形態,而無與其他塑膠有化學作用。他認為,這可能會令公司和消費者願意為再造塑膠而支付更高的價格。

Marty 則表示, Carbios 正建造示範工廠,預計每年可回收數百噸 PET 。雖然,較變 LLC 不能幫助再造其他主要塑膠如聚乙烯和聚苯乙烯,因為它們之間的化學鍵較難切斷。但如果成功找到方法將 LLC 應用在這些塑膠的話,可幫助社會解決嚴重的塑膠污染問題。

來源:
Science, ‘A huge step forward.’ Mutant enzyme could vastly improve recycling of plastic bottles, 8 April 2020

報告:
Tournier, V., Topham, C.M., Gilles, A. & et al. (2020). An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580, 216–219 (2020). doi: 10.1038/s41586-020-2149-4

文/Alan Chiu

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