Tương lai của việc tái chế có thể là ở vi khuẩn

Kể từ khi các nhà máy đầu tiên bắt đầu sản xuất polyester từ dầu mỏ vào những năm 1950, con người đã sản xuất ra khoảng 9,1 tỷ tấn nhựa. Các nhà nghiên cứu ước tính trong số rác thải tạo ra từ loại nhựa đó, chưa đến 1/10 trong số đó được tái chế. Khoảng 12% đã bị đốt, giải phóng dioxin và các chất gây ung thư khác vào không khí. Phần lớn số còn lại, có khối lượng tương đương khoảng 35 triệu con cá voi xanh, đã tích tụ tại các bãi chôn lấp và trong môi trường tự nhiên. Nhựa sinh sống ở các đại dương, tích tụ trong ruột của hải âu và cá mập trắng lớn. Trời mưa, từng hạt nhỏ, trên các thành phố và công viên quốc gia. Theo một số nghiên cứu, từ khâu sản xuất đến xử lý, ngành này chịu trách nhiệm thải ra nhiều khí nhà kính hơn ngành hàng không.

Các chuyên gia cho biết, vấn đề ô nhiễm này càng trở nên tồi tệ hơn bởi thực tế là ngay cả một phần nhỏ nhựa được tái chế cũng sớm muộn gì cũng bị đưa vào đống rác. Tái chế cơ nhiệt thông thường – trong đó các thùng chứa cũ được nghiền thành từng mảnh, rửa sạch, nấu chảy và sau đó biến đổi thành sản phẩm mới – chắc chắn sẽ tạo ra các sản phẩm giòn hơn và kém bền hơn so với nguyên liệu ban đầu. Tốt nhất, vật liệu từ chai nhựa có thể được tái chế theo cách này khoảng ba lần trước khi không thể sử dụng được. Nhiều khả năng, nó sẽ được “tái chế” thành những vật liệu có giá trị thấp hơn như quần áo và thảm—những vật liệu cuối cùng sẽ được xử lý tại các bãi chôn lấp.

Alain Marty, giám đốc khoa học của Carbios, một công ty Pháp đang phát triển các giải pháp thay thế cho tái chế thông thường, cho biết: “Tái chế cơ nhiệt không phải là tái chế”.

“Cuối cùng,” anh ấy nói thêm, “bạn có cùng một lượng rác thải nhựa.”

Carbios là một trong số các công ty khởi nghiệp đang cố gắng thương mại hóa một loại tái chế hóa học được gọi là khử polyme, phá vỡ các polyme – các phân tử giống như chuỗi tạo nên nhựa – thành các khối xây dựng phân tử cơ bản của chúng, được gọi là monome. Sau đó, các monome đó có thể được tập hợp lại thành các polyme có tính chất vật lý tốt như mới. Về lý thuyết, những người ủng hộ cho biết, một chai nhựa duy nhất có thể được tái chế theo cách này cho đến hết thời gian.

Nhưng một số chuyên gia cảnh báo rằng quá trình khử polyme và các hình thức tái chế hóa học khác có thể phải đối mặt với nhiều vấn đề tương tự đang gây khó khăn cho ngành tái chế, bao gồm cả sự cạnh tranh từ nhựa nguyên chất giá rẻ làm từ nguyên liệu dầu mỏ. Họ nói rằng để hạn chế làn sóng nhựa tràn ngập các bãi chôn lấp và đại dương, điều cần thiết nhất không phải là công nghệ tái chế mới mà là các quy định mạnh mẽ hơn đối với các nhà sản xuất nhựa – và khuyến khích mạnh mẽ hơn để tận dụng các công nghệ tái chế hiện có.

Tuy nhiên, được phấn khích bởi các mối quan hệ đối tác doanh nghiệp có khả năng sinh lợi và việc thắt chặt các hạn chế của châu Âu đối với các nhà sản xuất nhựa, Carbios đang thúc đẩy tầm nhìn về một nền kinh tế nhựa tuần hoàn – một nền kinh tế không yêu cầu khai thác dầu mỏ để sản xuất nhựa mới. Nền tảng của phương pháp tiếp cận của công ty là một công nghệ vẫn độc đáo trong lĩnh vực tái chế: enzyme biến đổi gen.

Enzyme xúc tác các phản ứng hóa học bên trong cơ thể sinh vật. Ví dụ, trong cơ thể con người, enzyme có thể chuyển hóa tinh bột thành đường và protein thành axit amin. Trong nhiều năm qua, Carbios đã cải tiến một phương pháp sử dụng enzyme có trong vi sinh vật để chuyển đổi polyethylene terephthalate (PET), một thành phần phổ biến trong hàng dệt và chai nhựa, thành các monome cấu thành của nó, axit terephthalic và mono ethylene glycol.

Mặc dù các nhà khoa học đã biết về sự tồn tại của enzyme ăn nhựa trong nhiều năm – và Marty cho biết Carbios đã nghiên cứu công nghệ tái chế enzyme kể từ khi thành lập vào năm 2011 – một khám phá được thực hiện sáu năm trước bên ngoài một nhà máy tái chế chai ở Sakai, Nhật Bản đã giúp cung cấp năng lượng cho lĩnh vực này. Ở đó, một nhóm do các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Kyoto và Đại học Keio dẫn đầu đã tìm thấy một loài vi khuẩn duy nhất, Ideonella sakaiensis , có thể phân hủy PET và sử dụng nó làm thực phẩm. Vi khuẩn này chứa một cặp enzyme cùng nhau có thể tách các liên kết phân tử giữ PET lại với nhau. Sau phát hiện này, các nhóm nghiên cứu khác đã xác định được các enzyme khác có khả năng thực hiện chức năng tương tự.

Lời hứa tái chế enzyme không chỉ giới hạn ở PET; Phương pháp này có thể được áp dụng cho các loại nhựa khác, bao gồm cả polyurethane, được sử dụng trong sản xuất bọt, vật liệu cách nhiệt và sơn. Nhưng PET có lẽ mang lại cơ hội thương mại rộng lớn nhất: Đây là một trong những loại nhựa lớn nhất được sản xuất, sử dụng rộng rãi trong bao bì thực phẩm và vải. Chai nước giải khát làm từ PET là một trong những loại nhựa dễ thu thập và tái chế nhất thành sản phẩm có thể bán được trên thị trường.

Các công nghệ khử polyme truyền thống dựa vào chất xúc tác vô cơ hơn là enzyme. Nhưng một số công ty tái chế hóa chất đã gặp khó khăn trong nỗ lực biến việc tái chế PET thành một mô hình kinh doanh khả thi – một số thậm chí còn phải đối mặt với sự giám sát pháp lý.

Mặc dù vậy, Marty cho biết phương pháp tiếp cận dựa trên enzyme của Carbios mang lại lợi thế so với các phương pháp khử polyme truyền thống: Các enzyme có tính chọn lọc hóa học cao hơn so với các chất xúc tác tổng hợp – chúng có thể nhắm mục tiêu chính xác hơn vào các vị trí cụ thể trên các phân tử cụ thể – và do đó có thể tạo ra sản phẩm tinh khiết hơn. Ngoài ra, chúng hoạt động ở nhiệt độ lò phản ứng tương đối thấp và không yêu cầu dung môi nguy hiểm, đắt tiền.

Tuy nhiên, theo truyền thống, vấn đề với enzym là chúng hoạt động chậm và có thể mất ổn định dưới nhiệt. Trong các thử nghiệm ban đầu, đôi khi phải mất hàng tuần để xử lý chỉ một phần nhỏ mẻ PET. Vào năm 2020, Marty và các đồng nghiệp tại Carbios, cùng với các nhà nghiên cứu ở Pháp, thông báo rằng họ đã chế tạo ra một loại enzyme – cái gọi là cutinase, được tìm thấy tự nhiên trong các vi khuẩn phân hủy lá – có thể chịu được nhiệt độ ấm hơn và chuyển đổi gần như toàn bộ lô PET thành monome trong vài giờ. Phát hiện này đã thúc đẩy đáng kể triển vọng thương mại của hoạt động tái chế enzym; Trong 10 tháng sau đó, giá cổ phiếu của Carbios trên sàn giao dịch Euronext Paris đã tăng khoảng 8 lần.

Tháng 9 năm ngoái, Carbios bắt đầu thử nghiệm công nghệ của mình tại một cơ sở trình diễn gần trụ sở chính ở Clermont-Ferrand, Pháp, cách Lyon khoảng hai giờ lái xe về phía Tây. PET đã qua sử dụng xuất hiện ở đây dưới dạng các mảnh mỏng, được xử lý trước có chiều ngang khoảng 1/5 inch. Trong một lò phản ứng cao 16 feet, các mảnh vụn được trộn với các enzym cutinase đã được cấp bằng sáng chế do công ty công nghệ sinh học Novozymes có trụ sở tại Đan Mạch sản xuất – và được làm nóng lên trên 140 độ F một chút. Marty cho biết, trong vòng 10 giờ, 95% nhựa đưa vào lò phản ứng, tương đương với 100.000 chai nhựa, có thể chuyển đổi thành monome, sau đó được lọc, tinh chế và chuẩn bị để sử dụng trong sản xuất nhựa. (5 phần trăm còn lại, được tạo thành từ nhựa không phản ứng và tạp chất, sẽ được đốt.) Như Marty mô tả, sản phẩm cuối cùng không thể phân biệt được về mặt vật lý với các chất gốc hóa dầu được sử dụng để sản xuất PET nguyên chất.

Công nghệ tái chế của Carbios đã thu hút sự chú ý của một số công ty hàng tiêu dùng lớn nhất thế giới. L’Oréal, Nestlé và PepsiCo đã hợp tác với công ty khởi nghiệp này để sản xuất những chai mẫu thử nghiệm và dường như tất cả đều có ý định đưa nhựa tái chế enzyme lên kệ.

Nhưng Kate Bailey, giám đốc nghiên cứu và chính sách tại Eco-Cycle, một công ty tái chế phi lợi nhuận có trụ sở tại Colorado, nói rằng trong hơn 20 năm làm việc trong ngành tái chế, cô ngày càng hoài nghi về các giải pháp công nghệ sinh học giống như giải pháp được Carbios chào mời. Mặc dù thừa nhận rằng cần có các giải pháp mới do tính cấp bách của vấn đề nhựa, nhưng cô ấy nói “chúng tôi không còn nhiều năm để tìm ra vấn đề này và chờ đợi công nghệ mới”. Bailey chỉ ra những câu hỏi còn sót lại về cách thức tái chế enzyme sẽ được mở rộng quy mô để xử lý khối lượng thương mại, bao gồm các câu hỏi về dấu chân năng lượng và việc xử lý các chất phụ gia hóa học độc hại có trong nhiều loại nhựa tiêu dùng.

Marty thừa nhận rằng quy trình của Carbios thực sự tiêu tốn nhiều năng lượng hơn so với tái chế thông thường – ông từ chối nêu rõ bao nhiêu – nhưng nói thêm rằng thật không công bằng khi so sánh tái chế enzyme với các quy trình cơ nhiệt, không tạo ra chất lượng cao như quy trình tái chế bằng enzyme. sản phẩm tái chế và cuối cùng tạo ra cùng một lượng chất thải. Tuy nhiên, ông nói, nó đòi hỏi ít năng lượng hơn và thải ra ít khí nhà kính hơn so với sản xuất PET nguyên chất từ ​​dầu mỏ – những tuyên bố được hỗ trợ bởi một phân tích độc lập được Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ công bố năm ngoái. Về chất phụ gia, ông cho biết chúng được lọc ra trong quá trình xử lý sau phản ứng và đốt.

Nhưng trở ngại cứng đầu nhất đối với Carbios và những hy vọng tái chế enzyme khác có thể là vấn đề kinh tế. Bailey cho biết: “Sản xuất nhựa nguyên chất là siêu rẻ, đặc biệt là với giá dầu thấp.

Cô nói thêm: “Bạn phải có khả năng bán PET tái chế của mình cho một số công ty cũng có tùy chọn mua PET nguyên chất, và khi PET nguyên chất rẻ hơn thì đó là thứ mà các công ty mua.”

Trong phân tích của mình, Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia ước tính rằng các monome PET được sản xuất thông qua tái chế enzyme sẽ có giá ít nhất là 1,93 USD mỗi kg; các monome nguyên chất, gốc dầu mỏ đã dao động trong khoảng từ 0,90 USD đến 1,50 USD mỗi kg kể từ năm 2010. Và giờ đây, nhiều công ty nhiên liệu hóa thạch đang chuyển mô hình kinh doanh của họ sang sản xuất nhựa, sự cạnh tranh trên thị trường dành cho các nhà tái chế nhựa có thể còn gay gắt hơn nữa.

Tuy nhiên, Marty rất lạc quan về triển vọng của công ty mình. Ông chỉ ra rằng giá dầu đang tăng và việc thắt chặt các quy định về sử dụng nhiên liệu hóa thạch ở châu Âu đang khiến nhựa tái chế trở nên cạnh tranh hơn ở đó. Một số gã khổng lồ về hàng tiêu dùng đã công khai cam kết sử dụng nhiều sản phẩm hơn từ vật liệu tái chế: Coca-Cola cam kết sử dụng vật liệu tái chế cho một nửa số bao bì của mình vào năm 2030 và Unilever đặt mục tiêu cắt giảm một nửa sự phụ thuộc vào nhựa nguyên chất vào năm 2025.

Marty nói: “Chắc chắn lúc đầu sẽ tốn kém hơn một chút. “Nhưng bằng kinh nghiệm, chúng tôi sẽ giảm chi phí của loại PET tái chế này.”

Wolfgang Streit, một nhà vi trùng học tại Đại học Hamburg, nói rằng ngay cả khi các công ty đạt được thành công về mặt thương mại với PET, một số polyme có thể không bao giờ tuân theo quy trình tái chế bằng enzyme. Ông giải thích: Các polyme như polyvinylchloride, được sử dụng trong ống PVC và polystyrene, được sử dụng trong Styrofoam, được liên kết với nhau bằng các liên kết carbon-carbon mạnh mẽ, có thể quá bền để các enzyme có thể vượt qua.

Đó là lý do Bailey tin rằng các chính sách mới cần được xem xét cùng với các công nghệ mới trong việc giải quyết vấn đề rác thải nhựa toàn cầu. Cô ủng hộ các biện pháp hạn chế sản xuất nhựa khó tái chế và cải thiện tỷ lệ thu gom các vật liệu như PET, có thể tái chế, mặc dù không hoàn hảo, bằng các công nghệ hiện có. Bailey lưu ý rằng hiện tại chỉ có khoảng 3 trong số 10 chai PET được thu thập để tái chế. Cô mô tả đó là kết quả dễ dàng “mà ngày nay chúng ta có thể giải quyết bằng các chính sách và công nghệ đã được chứng minh”.

Hầu hết PET được sản xuất trên toàn cầu không được sử dụng làm chai mà dùng cho sợi dệt, vì chúng thường chứa các vật liệu pha trộn nên hiếm khi được tái chế. Mats Linder, người đứng đầu bộ phận tư vấn của Stena Recycling ở Thụy Điển, cho biết ông muốn thấy các công nghệ tái chế hóa học tập trung vào những lĩnh vực này và các lĩnh vực khác của ngành tái chế, nơi mà hoạt động tái chế thông thường đang thiếu hụt.

Khi điều đó xảy ra, Carbios đang nỗ lực để làm được điều đó, Marty nói. Công ty Michelin của Pháp đã xác nhận công nghệ của công ty, có thể cho phép công ty tái chế hàng dệt và chai lọ đã qua sử dụng thành sợi lốp. Nó nhằm mục đích khởi động hoạt động tái chế dệt may vào năm 2023 và Marty cho biết công ty đang trên đà khởi động một cơ sở quy mô công nghiệp có công suất 44.000 tấn vào năm 2025.

Gregg Beckham, một nhà nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia, tin rằng vấn đề nhựa toàn cầu sẽ đòi hỏi sự kết hợp đa dạng giữa các giải pháp công nghệ và chính sách, nhưng ông cho biết công nghệ tái chế enzyme và các công nghệ tái chế hóa học khác đang tiến bộ nhanh chóng và ông lạc quan rằng chúng sẽ có một vai trò để chơi. Ông nói: “Tôi nghĩ việc tái chế hóa chất rất hữu ích trong bối cảnh các giải pháp khác không hiệu quả. “Và có nhiều nơi mà các giải pháp khác không hiệu quả.”

Ula Chrobak là một nhà văn khoa học tự do có trụ sở tại Nevada. Bạn có thể tìm thấy thêm công việc của cô ấy tại trang web của cô ấy.

Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Undark. Đọc bài viết gốc.