طريقة جديدة لإعادة تدوير نفايات الملابس والسجاد والزجاج المصنوع من البوليستر.. أرخص ماديا وأكثر فائدة للكوكب

كتب مصطفى شعبان

ما هو القاسم المشترك بين القميص، والسجاد، وزجاجة الصودا؟ العديد منها مصنوع من مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت PET، وهي مادة بلاستيكية منتشرة في كل مكان أحدثت ثورة في صناعة المواد منذ الأربعينيات.

تم إنشاء البولي إيثيلين تيريفثاليت من تكرير البترول، وهي مادة معروفة بمتانتها وتعدد استخداماتها، يمكن تشكيلها بسهولة في حاويات محكمة الإغلاق، أو نسجها في سجاد متين، أو غزلها في ملابس البوليستر.
أن معظم منتجات البولي إيثيلين تيريفثاليت، خاصة الملابس والسجاد – البولي إيثيلين، لا يتم إعادة تدويرها اليوم باستخدام تقنيات إعادة التدوير التقليدية، وتجد طريقها في النهاية إلى مدافن النفايات أو البيئة – حتى منتجات البولي إيثيلين تيرفثالات التي تصل بالفعل إلى سلة إعادة التدوير.

أوضح جريج بيكهام، باحث أول في المختبر الوطني للطاقة المتجددة والرئيس التنفيذي لوزارة الطاقة الأمريكية، “يقوم مجتمع البحث بتطوير بدائل واعدة ، بما في ذلك الإنزيمات المصممة لإزالة بلمرة PET، ولكن حتى هذه الخيارات تميل إلى الاعتماد على خطوات معالجة مسبقة كثيفة الاستهلاك للطاقة ومكلفة لتكون فعالة.”

قال بيكهام، في مقال مفصل نُشر في Nature Communications ، إن الأساليب المتقدمة في التعلم الآلي والبيولوجيا التركيبية أعطت العلماء نظرة غير مسبوقة في البيولوجيا الأساسية لإنزيمات تفكيك PET، حيث استخدم بيكهام وزملاؤه في جامعة بورتسموث وجامعة ولاية مونتانا هذه الأساليب لاكتشاف متغيرات إنزيمية جديدة تبشر بتفكيك حتى أصعب PET دون معالجة إضافية.
لا يعني هذا فقط أننا على أعتاب إعادة التدوير الأنزيمي لجميع أشكال PET ، بما في ذلك السجاد والملابس- بل يعني أنه قد يكون من الممكن قريبًا إعادة تدوير PETمن صنعه من نقطة الصفر بالبترول.
يمكن تحويل منتجات PET بعد الاستهلاك، والتي غالبًا ما تكون مصدرًا للتلوث اليوم، إلى موارد قيمة لدعم اقتصاد بلاستيكي أكثر استدامة بيئيًا.

إنزيمات غير عادية مخبأة في القمامة

يُعرف مفهوم إعادة التدوير الأنزيمي لـ PET منذ عام 2005 ، لكنه صعد إلى الساحة العالمية في عام 2016 بعد أن اكتشف العلماء اليابانيون اكتشافًا مفاجئًا، مدفونة في القمامة خارج منشأة إعادة التدوير في اليابان، كانت البكتيريا التي أطلقوا عليها اسم Ideonella sakaiensis تفرز بهدوء الإنزيمات التي كانت تفكك زجاجات المشروبات البلاستيكية القديمة المنتشرة حولها.

إصلاح أنظمة إعادة التدوير ضعيفة الأداء

تبع ذلك موجة من الأبحاث، سعى العلماء إلى تعزيز الإنزيمات لاستخدامها في التقنيات الصناعية المجهزة للتعامل مع ملايين الأطنان التي يتم إنتاجها كل عام، افترضوا أن منصة إعادة التدوير الأنزيمية يمكنها إصلاح أنظمة إعادة التدوير ضعيفة الأداء اليوم وتقليل انبعاثات الطاقة وغازات الاحتباس الحراري، وتعزيز الاقتصاد الدائري لجميع منتجات PET – حتى السجاد والأقمشة غير القابلة لإعادة التدوير باستخدام التقنيات التقليدية.

قال جون ماكجيهان، العالم الذي قاد مساهمة الفريق في جامعة بورتسموث في المملكة المتحدة، “تمكن خبراء من مجالات متنوعة مثل الأدوية والوقود الحيوي من إعادة توظيف عقود من الخبرة البحثية في هندسة الإنزيمات.”

تحويل ما يقرب من 98 % من البلاستيك مرة أخرى

كان بيكهام ومكجيهان وزملاؤهم هم أنفسهم لاعبين أساسيين في جهد عالمي لتحسين إعادة التدوير الإنزيمي في سلسلة نُشرت بين عامي 2018 و2021 ، وقاموا هذا العام بتقييم تأثيرات دورة الحياة لنظام إعادة التدوير الإنزيمي المستقبلي، حيث حققت الدراسات نتائج قابلة للقياس، من خلال معالجة PET لمدة 48 ساعة في مفاعل حيوي، أظهروا أنه من الممكن تحويل ما يقرب من 98 % من البلاستيك مرة أخرى إلى حمض التريفثاليك والإيثيلين جلايكول- كتل بناء عالية الجودة معاد تدويرها لصنع زجاجات PET جديدة أو حتى مواد بلاستيكية متقدمة مصممة لتكون أكثر قابلة لإعادة التدوير بسهولة.
وأضاف ماكجيهان: “لقد وصلنا إلى نقطة يكون فيها للعلم التعاوني إمكانات هائلة لتسريع تطوير الحلول القائمة على الإنزيم وطرحها على نطاق واسع.”

معوقات إعادة التدوير

على الرغم من التقدم السريع ، إلا أن هناك عائقًا رئيسيًا أمام إعادة التدوير الأنزيمي على نطاق صناعي يلوح في الأفق، كانت الإنزيمات فعالة فقط على نسبة صغيرة من منتجات PET – تلك المصنوعة من PET “غير المتبلور”، لقد كافحوا لتفكيك الأنواع “البلورية” الشائعة جدًا والمتينة من البولي إيثيلين تيريفثالات بدون تليينها أولاً بالحرارة العالية والطاقة الإضافية.

يشتمل Crystalline PET على ما يقرب من 90٪ من إجمالي مادة PET التي يتم إنتاجها، بما في ذلك ألياف البوليستر في الملابس وأجزاء زجاجات المشروبات التي تُستخدم مرة واحدة، ما يحتاجه العلماء هو إنزيمات أكثر مهارة في تكسير PET البلوري، لو تمكنوا فقط من العثور على إنزيمات آكلة للبلاستيك مخبأة في مكان ما في القمامة.

“التنقيب” عن إنزيمات جديدة باستخدام التعلم الآلي

لم يكن الفريق بحاجة إلى مجرفة للبحث عن أنواع جديدة من الإنزيمات، لقد أتاح التقدم في المعلوماتية الحيوية، والتعلم الآلي بالفعل إمكانية التنقيب عن قواعد بيانات ضخمة لتسلسلات الإنزيم الحالية للأصناف النشطة على PET البلورية.

قال عالم الحاسبات في NREL جافيث جادو: “الأساليب التقليدية لرسم خريطة إنزيمات جديدة لأكل البلاستيك من قواعد البيانات يمكن أن تكون غير فعالة، لأن الإنزيمات المتشابهة جدًا في تركيبها الكيميائي قد لا تحتفظ بالضرورة بنشاط تفكيك البلاستيك”.

للتغلب على هذا التحدي، بنى جادو نموذجًا إحصائيًا لتعلم القواعد البيولوجية لأنزيمات تفكيك البلاستيك المعروفة، حدد احتمالات للتركيب الفريد للأنزيمات التي تمت دراستها حتى الآن، وبنى جادو أيضًا نموذجًا مصاحبًا للتعلم الآلي للتنبؤ بالتسامح الحراري للإنزيمات، وهو أمر مهم للتطبيقات الصناعية.

سمح النموذجان الحسابيان لجادو وزملاؤه بالإسقاط في المجهول، في أقل من ساعة، قاموا بفحص أكثر من 250 مليون بروتين لإنشاء قائمة قصيرة من المرشحين الواعدين، أكدت الاختبارات الإضافية أن 36 منهم كانوا قادرين على تفكيك PET ، و24 كانوا غير موصوفين سابقًا في الأدبيات العلمية، الأهم ، كان العديد منهم أفضل في تكسير PET البلوري من PET غير المتبلور.
وأوضح جادو، أن “هذه الإنزيمات الجديدة ليست فقط متنوعة وراثيًا”، “إنها متنوعة هيكليًا مع أشكال هندسية مختلفة للمواقع النشطة.”

وأضاف جادو: ” تساعدنا أساليب الذكاء الاصطناعي الحديثة في العثور على أنماط في بيانات الإنزيم التي ستوفر فهمًا أفضل لما يصنع إنزيمًا جيدًا لأكل البلاستيك”، “سيمكننا هذا من تحسين الإنزيمات باستخدام هندسة البروتين وإيجاد إنزيمات أخرى في الطبيعة مشابهة من حيث الأداء.”
لقد كان تقدمًا آخر من فريق بحث غزير الإنتاج بالفعل وخطوة واحدة أقرب إلى تحقيق إعادة تدوير PET على نطاق واسع.

أرخص وأكثر اخضرارًا

وفقًا لبيكهام، يعتبر التنظيف والتقطيع والتدفئة، الخطوات اللازمة لإعداد PET للتفكيك – من بين أهم محركات الاستدامة لمرفق إعادة التدوير الأنزيمي على نطاق صناعي، وأوضح، أن “التقليل من خطوات المعالجة المسبقة هذه أمر بالغ الأهمية لجعل تكلفة إعادة التدوير الأنزيمية منافسة لإنتاج راتينج PET من البترول”.

في تجارب المتابعة، لاحظ الفريق أن بعض الإنزيمات التي تم تحديدها بواسطة أساليب التعلم الآلي الخاصة بهم كانت فعالة بنفس القدر في تحطيم PET البلوري وغير المتبلور، هذه الإنزيمات ببساطة لا تحتاج إلى معالجة مسبقة للمساعدة في تليين روابط البلاستيك.
وأضاف بيكهام: “من خلال الاستغناء عن المعالجة المسبقة، يمكن للتكنولوجيا أن تتيح إعادة تدوير PET على نطاق صناعي والتي تكون في الواقع أرخص من إنتاج PET الخام باستخدام البترول”، “والأفضل من ذلك، يمكنها خفض انبعاثات الطاقة والغازات المسببة للاحتباس الحراري.”

المزايا الاقتصادية والبيئية لاستخدام الإنزيمات النشطة

في منشأة على نطاق صناعي، يمكن أن يؤدي القيام بذلك إلى تقليل متطلبات الطاقة في سلسلة التوريد بنسبة 45٪، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري خلال دورة الحياة بنسبة 38٪ مقارنة بالأنظمة التي تستخدم المعالجة المسبقة.
المزايا الاقتصادية مثيرة للإعجاب بنفس القدر، عند تفكيك نفايات السجاد والملابس المصنوعة من مادة PET – غير القابلة لإعادة التدوير باستخدام التقنيات التقليدية – يمكن أيضًا إنتاج حمض التيريفثاليك بأقل من دولار واحد للكيلوجرام الواحد، تاريخياً ، بيع حمض التيريفثاليك المشتق من البترول بسعر يتراوح بين دولار واحد و 1.50 دولار للكيلوجرام الواحد.

ليس من الصعب تخيل كيف يمكن لهذا أن يقلب الرواية عن البلاستي، PET رخيصة جدًا لإعادة التدوير لدرجة أن الاقتصاديين يفضلون رميها في سلة إعادة التدوير فوق سلة المهملات، قميص، سجادة ، زجاجة صودا – كلهم يدخلون ويبدأون رحلتهم الدائرية ككتل بناء لخلق عالم أنظف وأكثر خضرة.