26.11.2025
Ферментативный рециклинг
В сфере вторичной переработки заговорили о революционном решении — ферментативном рециклинге. Ученые модифицировали природные ферменты, чтобы те буквально «поедали» ПЭТ, превращая его обратно в исходные компоненты. Но так ли все просто? Какие есть ограничения у этого подхода?
В 2001 году группа японских ученых сделала поразительное открытие на свалке. В траншеях, заполненных грязью и отходами, они обнаружили липкую пленку бактерий, которые с удовольствием пережевывали пластиковые бутылки, игрушки и прочий хлам. Разлагая мусор, бактерии получали энергию из содержащегося в пластике углерода, которую затем использовали для роста, передвижения и деления. Ученых возглавлял Кохэй Ода, профессор Киотского технологического института. Его команда искала вещества, способные смягчить синтетические ткани, такие как полиэстер. Тогда предварительные статьи о бактериях, собранных командой Оды, так и не были опубликованы.
В последующие годы Ода и его ученик Кадзуми Хирага продолжали проводить эксперименты. В 2016 году они наконец опубликовали свою работу в престижном журнале Science и назвали бактерию, обнаруженную на свалке, Ideonella sakaiensis — в честь города Сакаи, где она была найдена. В статье был описан специфический фермент (ПЭТаза белкового происхождения), который вырабатывала эта бактерия и который позволял ей расщеплять полиэтилентерефталат.
Изначально было понятно, что существует два серьезных барьера для масштабирования этого процесса на промышленный рециклинг: скорость «поедания» пластика (естественный процесс занимает недели, а то и месяцы) и диапазон температур, в котором работает природный фермент — не более 70°С. Да и прямо скажем, в окружающей среде не существует специального фермента, готового перерабатывать именно пластик. Тогда биотехнологи решили прибегнуть к мощи генной инженерии.
Биотехнологии
Французская компания Carbios взяла за основу другой фермент — LCC-кутиназу из компоста листьев), который изначально разлагал воск на растениях. Ученые модифицировали его, чтобы он работал в десятки раз быстрее, и направили на утилизацию ПЭТ. Процесс выглядит так: пластик измельчают в хлопья или порошок, добавляют фермент, он прикрепляется к поверхности ПЭТ и начинает расщеплять его на молекулы, пластик распадается, превращаясь в два основных компонента — терефталевую кислоту и этиленгликоль. Мономеры очищают — теперь их можно снова использовать для производства нового пластика. Главный прорыв Carbios состоял в том, что их фермент справлялся за 24 часа, а качество полученных материалов не уступало первичному ПЭТ. Вдохновившись успехом исследования, Carbios построила вблизи бельгийской границы завод по биопереработке ПЭТ-отходов, способный производить 50 тыс. т в год переработанного материала.
Стартап Breaking использует для того же процесса микроорганизм X-32.
Искусственный интеллект
Количество возможных ферментов, способных расщепить пластик, превышает количество атомов во вселенной, что не позволяет исследователям быстро добиться значительных успехов в данной сфере. Однако развитие ИИ полностью изменило ситуацию. Американская компания Protein Evolution с помощью искусственного интеллекта (ИИ) подбирает ферменты, которые могут перерабатывать старые полиэфирные ткани в новый материал.
В лаборатории Protein Evolution специальное приспособление нагревает пластиковые отходы до 280°C и создает из них липкие нити, которые начинают затвердевать при контакте с воздухом. Полученная субстанция будет затем измельчена на кусочки для получения большей площади поверхности и станет «пищей» для фермента, созданного стартапом Protein Evolution с помощью ИИ. Полученный в результате процесса материал, который компания называет Biopure, должен быть неотличим от полиэстера,
произведенного из нефти, и также может быть использован при создании тканей. Protein Evolution надеется, что ее фермент позволит полностью перерабатывать старую одежду, постельное белье и другие текстильные изделия.
«Мы должны сосредоточиться на тех вещах, в которых есть примесь пластика, а не на идеально чистых пластиковых бутылках», — говорит Джонатан Ротберг, владелец Protein Evolution, изобретатель и предприниматель, наиболее известный тем, что изобрел и коммерциализировал высокоскоростное секвенирование ДНК.
Собственная ИИ-модель Protein Evolution включает в себя общедоступные данные о десятках тысяч белков, которые помогают ей создавать тысячи аминокислотных последовательностей, представляющих собой новые ферменты. Затем Protein Evolution использует алгоритмы, включая ИИ-систему AlphaFold, разработанную Google DeepMind, которая предсказывает структуру белка по его аминокислотной последовательности и тестирует наиболее перспективные образцы в лабораторных реакторах.
В самом начале пути, когда исследователи Protein Evolution начали тестировать ИИ, большинство новых ферментов, предложенных ИИ-моделью, ни на что не годились. Однако по мере того, как команда добавляла новые данные, указывая, какие варианты работали лучше других, ИИ-модель научилась создавать лучшие виды ферментов, расщепляющих пластик.
Задача исследователей: совершенствование структуры ферментов для ускорения процесса работы и возможности использовать их при более низких температурах для повышения эффективности всего процесса и снижения его стоимости.
Для демонстрации результатов биопереработки Protein Evolution объединилась с дизайнером Стеллой Маккартни и отправила ей переработанные материалы, сделанные из самых грубых пластиковых отходов — тяжелых промышленных ремней, используемых для крепления грузовых контейнеров. В результате Маккартни продемонстрировала пышный жакет, изготовленный из этих материалов, — первый предмет одежды, когда-либо созданный с использованием биопереработки.
Protein Evolution уже заключила контракты с пятью модными брендами. «Для достижения успеха нужно, чтобы новый продукт не отличался по цене от заменяемого изделия», — отмечает Джонатан Ротберг.
Преимущества
Ферментативный рециклинг — это не просто быстрый способ утилизации пластика. По утверждению разработчиков этого направления, у него есть серьезные плюсы по сравнению с традиционными методами.
Во-первых, экологичность. Обычная переработка ПЭТ требует много энергии: пластик нужно расплавить, а это значит сжигать топливо и выделять CO₂. Кроме того, в рамках нескольких циклов переработки материал все же теряет свое качество, и его все равно выбрасывают. Ферменты же работают при невысоких температурах и полностью разлагают пластик до исходных компонентов без вредных выбросов.
Во-вторых, экономическая выгода. Хотя пока технология дороже механической переработки, в долгосрочной перспективе она может стать дешевле производства нового пластика из нефти. Многие косметические гиганты вроде Pepsi и L’Oréal, например, готовы инвестировать в развитие данной технологии, чтобы делать упаковку полностью перерабатываемой. И конечно, таким компаниям интересны коммерческие варианты рециклинга и экономичные решения.
Трудности
Пока технология ферментативного рециклинга далека от идеала. Например, требуется предварительная тщательная очистка пластика от примесей. В реальности же пластиковые отходы часто загрязнены пищевыми остатками, красителями, другими видами пластика. Чтобы технология работала, нужна сложная система сортировки и очистки, а это дополнительные расходы.
Существует и проблема с масштабированием. Carbios запустила только один экспериментальный завод во Франции мощностью 50 тыс. т/год. Это капля в море по сравнению с десятками миллионов тонн ПЭТ-отходов, производимых ежегодно. Чтобы перерабатывать хотя бы 10% мирового пластика, потребуются сотни таких предприятий. А их строительство требует огромных инвестиций – пока неясно, кто готов их обеспечить.
Открыт вопрос с безопасностью процесса. Ученые модифицировали природные ферменты, чтобы ускорить их работу. Однако пока нет данных, как искусственные белки поведут себя при возможном попадании в окружающую среду. Хотя Carbios уверяет, что ферменты полностью контролируются и разлагаются вместе с пластиком, этот момент требует тщательной проверки.
Надо понимать, что параллельно развиваются и другие технологии переработки, например, химический рециклинг, расширяется производство биопластиков из растительного сырья, создаются новые виды разлагаемых полимеров. Пока неясно, какая из этих технологий окажется выгоднее. Возможно, будущее — за их комбинацией, а не за одним универсальным решением.
Так что пока ферментативный рециклинг, скорее, остается многообещающим экспериментом. Чтобы стать по-настоящему коммерчески успешной технологией, ему придется работать над собой в нескольких направлениях: расширение производственных мощностей, снижение стоимости процесса, совершенствование метода, работа с инвесторами. Эксперты дают разные прогнозы. Оптимисты считают, что к 2030 году до 20% ПЭТ-упаковки в Европе будет перерабатываться ферментативным способом. Скептики же указывают на высокие затраты и сложности с сортировкой отходов.
Посмотреть в журнале
В 2001 году группа японских ученых сделала поразительное открытие на свалке. В траншеях, заполненных грязью и отходами, они обнаружили липкую пленку бактерий, которые с удовольствием пережевывали пластиковые бутылки, игрушки и прочий хлам. Разлагая мусор, бактерии получали энергию из содержащегося в пластике углерода, которую затем использовали для роста, передвижения и деления. Ученых возглавлял Кохэй Ода, профессор Киотского технологического института. Его команда искала вещества, способные смягчить синтетические ткани, такие как полиэстер. Тогда предварительные статьи о бактериях, собранных командой Оды, так и не были опубликованы.
В последующие годы Ода и его ученик Кадзуми Хирага продолжали проводить эксперименты. В 2016 году они наконец опубликовали свою работу в престижном журнале Science и назвали бактерию, обнаруженную на свалке, Ideonella sakaiensis — в честь города Сакаи, где она была найдена. В статье был описан специфический фермент (ПЭТаза белкового происхождения), который вырабатывала эта бактерия и который позволял ей расщеплять полиэтилентерефталат.
Изначально было понятно, что существует два серьезных барьера для масштабирования этого процесса на промышленный рециклинг: скорость «поедания» пластика (естественный процесс занимает недели, а то и месяцы) и диапазон температур, в котором работает природный фермент — не более 70°С. Да и прямо скажем, в окружающей среде не существует специального фермента, готового перерабатывать именно пластик. Тогда биотехнологи решили прибегнуть к мощи генной инженерии.
Биотехнологии
Французская компания Carbios взяла за основу другой фермент — LCC-кутиназу из компоста листьев), который изначально разлагал воск на растениях. Ученые модифицировали его, чтобы он работал в десятки раз быстрее, и направили на утилизацию ПЭТ. Процесс выглядит так: пластик измельчают в хлопья или порошок, добавляют фермент, он прикрепляется к поверхности ПЭТ и начинает расщеплять его на молекулы, пластик распадается, превращаясь в два основных компонента — терефталевую кислоту и этиленгликоль. Мономеры очищают — теперь их можно снова использовать для производства нового пластика. Главный прорыв Carbios состоял в том, что их фермент справлялся за 24 часа, а качество полученных материалов не уступало первичному ПЭТ. Вдохновившись успехом исследования, Carbios построила вблизи бельгийской границы завод по биопереработке ПЭТ-отходов, способный производить 50 тыс. т в год переработанного материала.
Стартап Breaking использует для того же процесса микроорганизм X-32.
Искусственный интеллект
Количество возможных ферментов, способных расщепить пластик, превышает количество атомов во вселенной, что не позволяет исследователям быстро добиться значительных успехов в данной сфере. Однако развитие ИИ полностью изменило ситуацию. Американская компания Protein Evolution с помощью искусственного интеллекта (ИИ) подбирает ферменты, которые могут перерабатывать старые полиэфирные ткани в новый материал.
В лаборатории Protein Evolution специальное приспособление нагревает пластиковые отходы до 280°C и создает из них липкие нити, которые начинают затвердевать при контакте с воздухом. Полученная субстанция будет затем измельчена на кусочки для получения большей площади поверхности и станет «пищей» для фермента, созданного стартапом Protein Evolution с помощью ИИ. Полученный в результате процесса материал, который компания называет Biopure, должен быть неотличим от полиэстера,
произведенного из нефти, и также может быть использован при создании тканей. Protein Evolution надеется, что ее фермент позволит полностью перерабатывать старую одежду, постельное белье и другие текстильные изделия.
«Мы должны сосредоточиться на тех вещах, в которых есть примесь пластика, а не на идеально чистых пластиковых бутылках», — говорит Джонатан Ротберг, владелец Protein Evolution, изобретатель и предприниматель, наиболее известный тем, что изобрел и коммерциализировал высокоскоростное секвенирование ДНК.
Собственная ИИ-модель Protein Evolution включает в себя общедоступные данные о десятках тысяч белков, которые помогают ей создавать тысячи аминокислотных последовательностей, представляющих собой новые ферменты. Затем Protein Evolution использует алгоритмы, включая ИИ-систему AlphaFold, разработанную Google DeepMind, которая предсказывает структуру белка по его аминокислотной последовательности и тестирует наиболее перспективные образцы в лабораторных реакторах.
В самом начале пути, когда исследователи Protein Evolution начали тестировать ИИ, большинство новых ферментов, предложенных ИИ-моделью, ни на что не годились. Однако по мере того, как команда добавляла новые данные, указывая, какие варианты работали лучше других, ИИ-модель научилась создавать лучшие виды ферментов, расщепляющих пластик.
Задача исследователей: совершенствование структуры ферментов для ускорения процесса работы и возможности использовать их при более низких температурах для повышения эффективности всего процесса и снижения его стоимости.
Для демонстрации результатов биопереработки Protein Evolution объединилась с дизайнером Стеллой Маккартни и отправила ей переработанные материалы, сделанные из самых грубых пластиковых отходов — тяжелых промышленных ремней, используемых для крепления грузовых контейнеров. В результате Маккартни продемонстрировала пышный жакет, изготовленный из этих материалов, — первый предмет одежды, когда-либо созданный с использованием биопереработки.
Protein Evolution уже заключила контракты с пятью модными брендами. «Для достижения успеха нужно, чтобы новый продукт не отличался по цене от заменяемого изделия», — отмечает Джонатан Ротберг.
Преимущества
Ферментативный рециклинг — это не просто быстрый способ утилизации пластика. По утверждению разработчиков этого направления, у него есть серьезные плюсы по сравнению с традиционными методами.
Во-первых, экологичность. Обычная переработка ПЭТ требует много энергии: пластик нужно расплавить, а это значит сжигать топливо и выделять CO₂. Кроме того, в рамках нескольких циклов переработки материал все же теряет свое качество, и его все равно выбрасывают. Ферменты же работают при невысоких температурах и полностью разлагают пластик до исходных компонентов без вредных выбросов.
Во-вторых, экономическая выгода. Хотя пока технология дороже механической переработки, в долгосрочной перспективе она может стать дешевле производства нового пластика из нефти. Многие косметические гиганты вроде Pepsi и L’Oréal, например, готовы инвестировать в развитие данной технологии, чтобы делать упаковку полностью перерабатываемой. И конечно, таким компаниям интересны коммерческие варианты рециклинга и экономичные решения.
В-третьих, качество вторсырья. Обычный переработанный ПЭТ часто темнеет и теряет прочность, поэтому его смешивают с новым пластиком. А ферментативный рециклинг дает чистые мономеры, из которых можно снова делать изделия, в том числе с пищевым допуском.
Пока технология ферментативного рециклинга далека от идеала. Например, требуется предварительная тщательная очистка пластика от примесей. В реальности же пластиковые отходы часто загрязнены пищевыми остатками, красителями, другими видами пластика. Чтобы технология работала, нужна сложная система сортировки и очистки, а это дополнительные расходы.
Существует и проблема с масштабированием. Carbios запустила только один экспериментальный завод во Франции мощностью 50 тыс. т/год. Это капля в море по сравнению с десятками миллионов тонн ПЭТ-отходов, производимых ежегодно. Чтобы перерабатывать хотя бы 10% мирового пластика, потребуются сотни таких предприятий. А их строительство требует огромных инвестиций – пока неясно, кто готов их обеспечить.
Открыт вопрос с безопасностью процесса. Ученые модифицировали природные ферменты, чтобы ускорить их работу. Однако пока нет данных, как искусственные белки поведут себя при возможном попадании в окружающую среду. Хотя Carbios уверяет, что ферменты полностью контролируются и разлагаются вместе с пластиком, этот момент требует тщательной проверки.
Надо понимать, что параллельно развиваются и другие технологии переработки, например, химический рециклинг, расширяется производство биопластиков из растительного сырья, создаются новые виды разлагаемых полимеров. Пока неясно, какая из этих технологий окажется выгоднее. Возможно, будущее — за их комбинацией, а не за одним универсальным решением.
Так что пока ферментативный рециклинг, скорее, остается многообещающим экспериментом. Чтобы стать по-настоящему коммерчески успешной технологией, ему придется работать над собой в нескольких направлениях: расширение производственных мощностей, снижение стоимости процесса, совершенствование метода, работа с инвесторами. Эксперты дают разные прогнозы. Оптимисты считают, что к 2030 году до 20% ПЭТ-упаковки в Европе будет перерабатываться ферментативным способом. Скептики же указывают на высокие затраты и сложности с сортировкой отходов.
Посмотреть в журнале