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미국 국립재생에너지연구소(NREL) 선임연구원 현실은 대부분의 PET 제품, 특히 PET 의류와 카펫이 오늘날 전통적인 재활용 기술을 사용하여 재활용되지 않고 있다는 것입니다. 연구 커뮤니티는 PET 해중합을 목표로 하는 효소를 포함하여 유망한 대안을 개발하고 있지만 이러한 선택조차도 종종 높은 에너지 소비와 높은 비용의 전처리 단계에 의존하여 효과적입니다.
연구원 Jaffes Gardo(왼쪽), Erica Erickson(오른쪽) 및 동료들은 일회용 음료수 병, 카펫, 의류 및 식품 포장에 사용되는 플라스틱인 결정질 PET를 분해하는 효소를 발견하고 특성화했습니다.
따라서 오늘날 생산되는 대부분의 PET는 궁극적으로 매립지나 환경으로 유입됩니다. 심지어 PET 제품이 실제로 재활용 스테이션에 들어가는 경우도 있습니다.
그럼에도 불구하고 Beckham은 상황이 빠르게 변화하고 있으며 기계 학습 및 합성 생물학의 고급 방법을 통해 과학자들은 PET 분해 효소의 기본 생물학에 대한 전례 없는 이해를 제공했다고 말했습니다. 최근 포츠머스 대학과 몬타나 주립 대학의 베컴과 그의 동료들은 이러한 방법을 활용하여 추가적인 전처리 없이 가장 까다로운 PET를 분해할 것으로 예상되는 새로운 효소 변종을 발견했습니다.
이는 우리가 카펫과 의류를 포함한 모든 형태의 PET에 대한 효소 재활용의 최전선에 있다는 것을 의미할 뿐만 아니라, PET를 재활용하는 것이 곧 기름을 사용하여 처음부터 PET를 제조하는 것보다 더 저렴할 수도 있음을 의미합니다.
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토양에 숨겨진 효소
PET의 효소회수 개념은 2005년부터 알려졌으나 일본 과학자들이 놀라운 발견을 한 뒤 2016년 세계무대에 데뷔했다. 일본 재활용 시설 밖의 토양에 묻혀 조용히 이데오넬라 사카이엔시스(Ideonella sakaiensis)라고 부르는 효소다. 흩어져 있는 오래된 플라스틱 음료병을 분해하는 분비물입니다.
자연은 PET의 화학 결합을 끊는 데 훌륭한 솔루션을 제공합니다. 어떤 이유에서인지 자연은 페트병을 기본 성분인 테레프탈산과 에틸렌 글리콜로 줄이는 방법을 보여주고 있습니다.
일련의 연구가 이어졌습니다. 과학자들은 매년 생산되는 수백만 톤의 PET를 처리하기 위해 산업 기술에 사용되는 효소를 향상시키려고 노력하고 있습니다. 그들은 개선된다면 효소 재활용 플랫폼이 오늘날 성능이 저하된 재활용 시스템을 완전히 바꾸고, 에너지와 온실가스 배출을 줄이고, 모든 PET 제품(심지어 전통적인 기술로는 재활용할 수 없는 카펫과 직물까지 포함)에 대한 순환 경제를 촉진할 수 있다고 가정합니다.
연구자들이 효소를 사용하여 플라스틱을 분해할 수 있는 가능성을 깨닫자 전 세계의 새로운 논문이 과학 문헌에 빛을 발하고 있다고 영국 포츠머스 대학(UoP) 팀의 과학자인 John McGeehan은 말했습니다. 제약 및 바이오 연료는 수십 년의 연구 경험을 재사용하여 효소를 수정할 수 있습니다.
NREL/UoP 회사의 효소 회수 플랫폼은 PET 플라스틱 원료(왼쪽)를 화학 구조 단위로 효과적으로 분해합니다. 오른쪽의 PET 샘플은 NREL/UoP사의 효소에 의해 가수분해된 후 질량이 97.7% 감소했습니다.
DeepMind의 3D 렌더링은 그림의 효소 611과 같은 예상치 못한 구조적 특징을 드러냈습니다. 효소 611과 같은 단백질의 구조적 특징을 주의 깊게 분석하면 팀의 성과를 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 두 가지 계산 모델을 함께 사용하면 Gado와 그의 동료들이 미지의 영역으로 프로젝트를 진행할 수 있습니다. 한 시간도 안 되어 그들은 200만 개 이상의 단백질을 선별하여 유망한 후보의 짧은 목록을 만들었습니다. 추가 테스트를 통해 5개는 PET를 분해할 수 있었고, 36개는 이전에 과학 문헌에 설명되지 않았던 것으로 확인되었습니다.
중요한 것은 일부는 비정질 PET보다 결정질 PET를 더 잘 분해한다는 것입니다.
"이 새로운 효소는 유전적으로 다양할 뿐만 아니라"라고 Gado는 설명합니다. "그들은 활성 센터의 구조와 기하학적 구조가 다릅니다."
Gado는 적어도 Alphabet 자회사인 DeepMind의 연구자들이 제공한 3D 렌더링을 통해 24개의 새로운 효소의 구조에 대해 자신있게 말할 수 있습니다. "전체 단백질 우주"를 매핑하는 것으로 알려진 DeepMind는 딥 러닝 도구인 AlphaFold를 사용하여 이러한 효소를 특성화하여 팀이 효소를 나란히 비교하고 차이점을 확인할 수 있었습니다.
모든 도구에는 PET를 분해하는 기능이 있지만 눈에 띄게 다르게 보이는 몇 가지 도구가 있습니다. Gado에 따르면 DeepMind의 렌더링은 플라스틱 분해효소가 PET에 어떻게 작용하는지에 대한 귀중한 단서를 제공합니다.
"최첨단 AI 방법은 효소 데이터에서 패턴을 찾는 데 도움이 되며, 이를 통해 좋은 플라스틱 식용 효소를 만드는 방법에 대한 이해가 높아질 것입니다."라고 Gado는 덧붙였습니다. "이를 통해 우리는 단백질 공학을 통해 효소를 개선하고 자연에서 유사하게 수행되는 다른 효소를 찾을 수 있게 될 것입니다."
이는 이미 많은 연구 팀을 위한 또 다른 단계이자 대규모 PET 재활용을 향한 또 다른 단계입니다.
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더 저렴하고 환경 친화적인
분석을 통해 효소 PET 회수의 장점을 정량화했습니다.
Beckham에 따르면, PET 분해를 준비하는 데 필요한 단계인 세척, 파쇄 및 가열은 산업 규모의 효소 재활용 시설의 가장 중요한 지속 가능성 동인 중 하나입니다.
"이러한 전처리 단계를 최소화하는 것은 석유에서 PET 수지를 생산하는 것과 비교하여 효소 회수 비용을 경쟁력 있게 만드는 데 중요합니다."라고 그는 설명합니다.
NREL 대학과 UoP의 과학자들은 소비 후 PET를 동일한 화학 구성 요소인 테레프탈산(TPA) 및 에틸렌 글리콜(EG)로 신속하게 분해할 수 있는 비용 효율적이고 환경 친화적인 효소 플랫폼을 개발했습니다.
후속 실험에서 팀은 기계 학습 방법으로 라벨링된 일부 효소가 결정질 PET와 비정질 PET를 분해하는 데 똑같이 효과적이라는 사실을 발견했습니다. 이러한 효소는 플라스틱 결합을 부드럽게 하기 위해 전처리가 전혀 필요하지 않습니다.
베컴은 "전처리를 제거함으로써 이 기술은 산업 규모의 PET 재활용을 가능하게 하며, 이는 석유를 사용하여 순수 PET를 생산하는 것보다 실제로 더 저렴하다"고 덧붙였습니다. "더 좋은 점은 관련 에너지와 온실가스 배출을 줄일 수 있다는 점입니다."
2021년 Joule에 발표된 이전 기사에서 팀은 결정질 PET에 활성 효소를 사용하는 것의 경제적, 환경적 이점을 정량화했습니다. 산업 규모 시설에서는 전처리를 사용하는 시스템에 비해 공급망 에너지 수요를 45%, 수명주기 온실가스 배출량을 38% 줄일 수 있습니다.
경제적 이점도 똑같이 인상적입니다. 기존 기술로는 재활용이 불가능한 PET 카펫과 의류를 버릴 때 킬로그램당 1달러 미만의 비용으로 테레프탈산을 생산할 수도 있습니다. 석유에서 추출한 테레프탈산은 역사적으로 킬로그램당 1~1.50달러에 판매되었습니다.
"우리의 효소 플랫폼은 바다를 청소하기 위한 경제적 인센티브를 창출합니다"라고 이 연구를 뒷받침하는 많은 실험 작업을 수행한 전 NREL 박사후 연구원인 Erika Erickson은 말했습니다. "이러한 가격대에서는 PET 오염을 새로운 PET 제품으로 저렴하게 재활용하거나 풍력 터빈 블레이드 또는 탄소 섬유 범퍼에서 새로운 용도를 찾을 수 있습니다."
오늘날 오염의 원인이 되는 사용 후 PET 제품은 더욱 환경적으로 지속 가능한 플라스틱 경제를 지원하는 귀중한 자원으로 전환될 수 있습니다.
이것이 플라스틱에 대한 이야기를 어떻게 바꿀지 상상하는 것은 어렵지 않습니다. PET 재활용 비용이 너무 낮아서 경제적인 측면에서는 쓰레기통보다는 재활용 쓰레기통에 버리는 것이 더 좋습니다. 티셔츠, 러그, 음료수병 등 모든 것이 들어있고 빌딩 블록으로 더 깨끗하고 친환경적인 세상을 만들기 위한 순환 여행을 시작합니다.
