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回收的未来可能在于微生物

自从 1950 年代第一家工厂开始用石油生产聚酯以来,人类已经生产了大约 91 亿吨塑料。研究人员估计,在这种塑料产生的废物中,只有不到十分之一被回收利用。大约 12% 已被焚烧,将二恶英和其他致癌物质释放到空气中。其余的大部分,相当于约 3500 万头蓝鲸的质量,已在垃圾填埋场和自然环境中积累。塑料栖息在海洋中,在海鸥和大白鲨的内脏中堆积。雨滴在城市和国家公园里,以微小的斑点落下。根据一些研究,从生产到处置,它对更多的温室气体排放负有责任比航空业。

专家说,这种污染问题变得更糟,因为即使是一小部分被回收的塑料也注定迟早会进入垃圾堆。传统的热机械回收——将旧容器磨成薄片、清洗、熔化,然后重新制成新产品——不可避免地会产生比起始材料更脆、更不耐用的产品。充其量,塑料瓶中的材料可能会以这种方式回收大约三倍,然后才会变得无法使用。更有可能的是,它将被“降级循环”成价值较低的材料,如服装和地毯——这些材料最终将在垃圾填埋场进行处理。

“热机械回收不是回收,”法国公司 Carbios 的首席科学官 Alain Marty 说,该公司正在开发传统回收的替代品。

“最后,”他补充说,“你有完全相同数量的塑料垃圾。”

 

阿兰·马蒂·卡比奥斯
Carbios 的科学总监 Alain Marty 于 2021 年 9 月出席该公司在法国克莱蒙费朗的示范设施落成典礼 。Thierry Zoccolan/AFP via Getty Images

 

Carbios 是一群试图将一种称为解聚的化学回收商业化的初创公司之一,这种化学回收将聚合物(构成塑料的链状分子)分解成它们的基本分子构件,称为单体。然后这些单体可以重新组装成聚合物,就其物理性质而言,这些聚合物与新的一样好。支持者说,理论上,一个塑料瓶可以通过这种方式回收,直到时间结束。

但一些专家警告说,解聚和其他形式的化学回收可能面临许多已经困扰回收行业的相同问题,包括来自石油原料制成的廉价原生塑料的竞争。他们说,要遏制塑料泛滥垃圾填埋场和海洋的浪潮,最需要的不是新的回收技术,而是对塑料生产商实施更严格的监管——以及更强有力的激励措施来利用已经存在的回收技术。

然而,在潜在利润丰厚的企业合作伙伴关系和欧洲对塑料生产商限制收紧的推动下,Carbios 正在推进其循环塑料经济的愿景——不需要开采石油来制造新塑料。该公司方法的基础是一种在回收领域仍然非常规的技术:转基因酶。

酶催化生物体内的化学反应。例如,在人体中,酶可以将淀粉转化为糖,将蛋白质转化为氨基酸。在过去的几年中,Carbios 一直在改进一种方法,该方法使用微生物中的一种酶将纺织品和塑料瓶中的常见成分聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 转化为其组成单体、对苯二甲酸和单乙二醇。

尽管科学家们已经知道塑料食用酶的存在多年了——Marty 说 Carbios 自 2011 年成立以来一直致力于酶回收技术——六年前在日本酒井的一家瓶子回收工厂外发现的一项发现有助于为领域注入活力。在那里,由京都工业大学和庆应义塾大学的研究人员领导的一个小组发现了一种细菌Ideonella sakaiensis,它既可以分解 PET,也可以将其用作食物。这种微生物含有一对酶,它们一起可以切割将 PET 结合在一起的分子键。在发现之后,其他研究小组确定了其他能够执行相同壮举的酶。

酶回收的承诺不仅限于 PET;该方法可能适用于其他塑料,包括用于泡沫、绝缘和油漆的聚氨酯。但 PET 可能提供了最广阔的商业机会:它是生产的最大塑料类别之一,广泛用于食品包装和织物。以 PET 为基础的饮料瓶是最容易收集和回收成可销售产品的塑料之一。

 

回收的未来可能在于微生物
在 Carbios 实验室,几个塑料样品放在实验室长凳上。 蒂埃里·佐科兰/法新社通过盖蒂图片社

 

传统的解聚技术依赖于无机催化剂而不是酶。但一些化学回收公司一直在努力将 PET 回收转化为可行的商业模式——有些公司甚至面临 法律审查。

尽管如此,Marty 表示,Carbios 的基于酶的方法比传统的解聚方法具有优势:酶比合成催化剂更具化学选择性——它们可以更精确地靶向特定分子上的特定位点——因此可以产生更纯的产品。此外,它们在相对较低的反应器温度下工作,并且不需要昂贵、危险的溶剂。

然而,传统上,酶的问题在于它们工作缓慢并且在受热时会不稳定。在早期的实验中,有时处理一批 PET 的一小部分就需要数周时间。2020 年,Carbios 的 Marty 及其同事以及法国的研究人员宣布,他们已经设计出一种酶——一种所谓的角质酶,天然存在于分解叶子的微生物中——可以承受更高的温度并转化几乎一整批 PET在几小时内变成单体。这一发现极大地推动了酶回收的商业前景;在随后的 10 个月中,Carbios 在 Euronext Paris 交易所的股价上涨了大约八倍。

去年九月,Carbios开始测试其技术在其位于法国克莱蒙费朗总部附近的示范设施中进行,该设施位于里昂以西约两小时车程处。用过的 PET 以大约五分之一英寸宽的薄的、经过预处理的薄片形式运抵这里。在一个 16 英尺高的反应器中,薄片与获得专利的角质酶(由丹麦生物技术公司 Novozymes 生产)混合,并加热到华氏 140 度以上。Marty 说,在 10 小时内,送入反应器的 95% 的塑料(相当于 100,000 个塑料瓶)可以转化为单体,然后进行过滤、纯化并准备用于塑料制造。(剩下的 5%,由未反应的塑料和杂质组成,被焚烧。)正如 Marty 描述的那样,

Carbios 的回收技术已经引起了一些世界上最大的消费品公司的注意。欧莱雅、雀巢和百事可乐已与这家初创公司合作生产概念验证瓶,并且似乎都打算最终将酶回收塑料上架。

但位于科罗拉多州的非营利性回收商 Eco-Cycle 的政策和研究主管凯特·贝利 (Kate Bailey) 表示,在她从事回收行业 20 年的时间里,她对像 Carbios 吹捧的生物技术解决方案越来越持怀疑态度。虽然她承认需要新的解决方案,但鉴于塑料问题的紧迫性,她说“我们没有更多的时间来解决这个问题并等待新技术。” Bailey 指出了有关如何扩大酶回收以处理商业量的挥之不去的问题,包括有关其能源足迹和处理许多消费塑料中发现的有毒化学添加剂的问题。

Marty 承认,Carbios 的工艺确实比传统回收更耗能——他拒绝具体说明多少——但补充说,将酶回收与热机械工艺进行比较是不公平的,后者不能生产出高质量的回收产品并最终导致相同数量的废物。尽管如此,他说,与从石油中生产原始 PET 相比,它需要的能源更少,排放的温室气体也更少——美国国家可再生能源实验室去年发表的一项独立分析支持了这一说法。至于添加剂,他说它们在反应后处理过程中被过滤掉并被焚烧。

 

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Carbios 实验室的小型反应器混合塑料和酶。 蒂埃里·佐科兰/法新社通过盖蒂图片社

 

但对于 Carbios 和其他酶回收有希望的公司来说,最顽固的障碍可能是经济问题。“制造原生塑料非常便宜,尤其是在油价低廉的情况下,”贝利说。

她补充说:“你必须能够将回收的 PET 卖给也可以选择购买原生 PET 的公司,而当原生 PET 更便宜时,这就是公司购买的东西。”

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国家可再生能源实验室在分析中估计,通过酶回收生产的 PET 单体的价格至少为每公斤 1.93 美元;自 2010 年以来,基于石油的原生单体价格在每公斤 0.90 美元到 1.50 美元之间。现在许多化石燃料公司正在将其商业模式转向塑料生产,塑料回收商的市场竞争可能会变得更加激烈。

然而,Marty 对其公司的前景持乐观态度。他指出,石油价格正在上涨,欧洲对化石燃料使用的严格监管使再生塑料在当地更具竞争力。几家消费品巨头公开承诺从回收材料中采购更多产品:可口可乐承诺到2030 年将回收材料用于其一半的包装,联合利华的目标是到2025 年将其对原生塑料的依赖减少一半。

“一开始,当然,它的成本会更高一些,”马蒂说。“但我们会根据经验降低这种回收 PET 的成本。”

汉堡大学的微生物学家Wolfgang Streit表示,即使公司在 PET 上取得商业成功,一些聚合物可能永远无法进行酶促回收。他解释说,聚氯乙烯等聚合物用于 PVC 管道,聚苯乙烯用于聚苯乙烯泡沫塑料,它们通过强大的碳-碳键结合在一起,这可能过于坚固,酶无法克服。

 

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在 Carbios 示范工厂,PET 薄片和获得专利的角质酶混合在右侧的大型反应罐中。Marty 说,在 10 小时内,95% 的塑料转化为单体。 卡比奥斯

 

这就是贝利认为在解决全球塑料垃圾问题时需要考虑新政策和新技术的原因之一。她主张采取措施限制难以回收的塑料的生产,并提高 PET 等材料的回收率,这些材料可以利用现有技术进行回收,尽管并不完美。Bailey 指出,目前只有十分之三的 PET 瓶被收集起来进行回收。她将其描述为“我们今天可以通过经过验证的技术和政策解决的容易实现的目标”。

全球生产的大多数 PET 不是用于瓶子,而是用于纺织纤维,因为它们通常含有混合材料,因此很少被回收利用。瑞典 Stena Recycling 咨询部门的负责人 Mats Linder 表示,他希望看到化学回收技术专注于回收行业的这些以及传统回收不足的其他部分。

碰巧的是,Carbios 正在努力做到这一点,Marty 说。法国公司米其林已经验证了该公司的技术,这可以让它将用过的纺织品和瓶子回收成轮胎纤维。它的目标是在 2023 年启动纺织品回收业务,Marty 表示,该公司有望在 2025 年启动一个产能为 44,000 吨的工业规模设施。

美国国家可再生能源实验室高级研究员格雷格贝克汉姆认为,全球塑料问题将需要多种技术和政策解决方案,但他表示酶回收和其他化学回收技术正在迅速发展,他乐观地认为它们将发挥作用。“我认为化学回收在其他解决方案不起作用的情况下很有用,”他说。“还有很多其他解决方案不起作用的地方。”

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