入选十大化学新兴技术的 “PET生物回收”真有戏吗？

2023年11月24日，在中国深圳举行的第五届世界科技与发展论坛上，中国化学会副理事长、国际理论(化学)与应用化学联合会（IUPAC）执委会委员帅志刚正式发布了“2023年度IUPAC化学领域十大新兴技术”，“PET的生物回收（Biological recycling of PET）”入选其中。这十大技术分别是：1、人造肌肉；2、PET的生物回收；3、氯化物介导的海洋二氧化碳去除；4、解聚；5、化学中的GPT语言模型；6、“低糖”疫苗；7、噬菌体疗法；8、光催化制氢；9、合成电化学；10、可穿戴传感器技术。

 

 

PET回收的难题

PET，全称聚对苯二甲酸乙二醇酯，是一种热塑性材料，具有优异的化学稳定性和机械性能，是全球使用最广泛的塑料材料之一，最为我们常见的用途就是矿泉水瓶和饮料瓶。每年全球对PET材料的需求量超过3000万吨，约占每年塑料总需求的五分之一，其中超过80%被设计成一次性使用，导致每年约2500万吨的消费后PET废物，加剧了全球塑料废物危机。然而，由于PET的酯键和芳香核固有的化学惰性，给PET的降解带来了巨大的挑战，严重影响着环境，其回收处理上的难题迫在眉睫。

目前，废旧PET塑料主要有四种回收方式：机械回收造粒、化学回收燃油、焚烧回收热能以及生物降解回收化学品。前三种方式需要大量能源消耗。

 

图1：PET生物回收（图源网络）

 

生物回收是利用微生物或酶的作用，将PET废弃物解聚为小分子单体（monomer），并作为碳源供化学聚合制造新塑料（图1）。这不仅减少了对化学物质的使用，还能在更温和的条件下进行回收过程，降低了能源消耗和环境污染。

 

图2：PET生物回收循环过程（图源网络）

相比于前三种回收方式，生物回收过程环境友好，具有可持续性。并且不同于传统的PET回收技术多为“降级”过程，机械性能逐渐降低，生物回收是一种“升级”的回收过程，酶的好处在于可以回收单体，是生物化学加速反应的主力。通过酶，废弃的PET材料最终可以更高效地转化为与石油基PET具有相同性质的再生PET原料，从而减少了对原生塑料的需求，并降低了资源消耗，减少填埋场和环境中的废弃物。这可能是一个无限循环的过程（图2），促进了可持续发展和循环经济的实现，因此非常有吸引力，被广泛认为是PET回收处理的环保且高效的解决方案。生物回收PET产生的碳足迹比重新制造塑料更小，根据2021年的估计，与从头开始制造对苯二甲酸（TPA）相比，使用酶分解PET来获取其TPA单体，可以减少高达43%的温室气体排放。

PET生物回收技术正逐渐受到国内外研究者的青睐，它能入选本年度IUPAC化学领域十大新兴技术并不令笔者感到惊奇。接下来，本文将介绍PET生物回收的概念、在中国和国外的发展情况，以及未来面临的挑战和机遇。

 

大自然的馈赠

关于分解塑料的酶的研究最早可以追溯到上世纪70年代，但该领域在2016年焕发了新的活力，科学家们在充斥着塑料污染的垃圾填埋场、汽车废件堆等场地搜寻大自然的恩惠，在全球各地都发现了能分解塑料的微生物。

生物降解被人们发现是一种能掌控好经济预算的同时还能控制塑料污染的最有效方法。PET的化学惰性已经引起了所有环保人士的注意，形成了对社会更安全和经济的正确处置方法的概念。考虑到生物降解是一种生态友好的方法，许多种类的细菌已经显示出了降解PET的潜力。微生物是解决这一问题的经济方法，尽管它们的维护、培养和酶提取都需要精准拿捏。微生物降解通常是一种酶活性，对聚合物键的裂解进行催化了，形成易被进一步处理的单体。

胞外和胞内聚合酶都积极参与酶降解，尽管微生物的胞外酶只导致聚合物的初级降解或分裂。它们进行氧化或水解等反应，暴露官能团，从而提高聚合物的亲水性。这可以通过需氧反应（沉积物、垃圾填埋）或厌氧（堆肥、土壤）进行，从而产生二氧化碳、水和甲烷。因此，环境条件决定了与生物降解相关的降解途径。这个两步的过程包括与聚合物基底的结合以及随后的催化水解裂解。细胞外降解是利用外源性的能源，而细胞内降解是利用内生能源。科学家的研究表明，PET所含对苯二甲酸二甘醇的基底很容易被微生物利用，来作为能量和碳源。

 

国内外PET生物回收技术进展

为当今问题重重的PET回收方法提供更有效、更环保的替代方案，生物回收技术真的有戏吗？

全世界各地有数百个团体、数千名科学家正在研究这一课题，他们寻找到能够分解塑料的微生物，并通过在实验室提升它们降解PET的能力，科学家们就可以得到一种回收塑料构成成分的有效方法。然后，他们将使用这些亚单位制造新材料，这样就可以创建一个“无限循环”的回收体系。研究目前还处于早期阶段，找到适合的酶还只是第一步。尽管如此，生物回收技术很可成为解决日益严重的塑料问题的宝贵工具。

中国是全球最大的塑料生产国之一，因此PET生物回收技术在中国的应用前景广阔。近年来，中国在PET生物回收领域的研究和应用方面取得了显著进展。中国政府对环保产业的支持力度不断加大，为PET生物回收技术的发展提供了良好的政策环境。PET生物回收技术也得到了越来越多的关注。同时，中国在PET回收技术研发方面的投入也在逐年增加，一些科研机构和企业已经开始投资研发PET生物回收技术，并取得了一些初步成果，推动了这个领域的技术进步。

 

图3：PET酶法再生全流程工艺（图源源天生物科技）

例如，源天生物科技（天津）有限公司是一家主要从事废弃PET 塑料酶法再生技术研发和商业化应用的生物科技公司。该公司综合利用酶工程、发酵工程、化学工程等多重技术，研发出高效、专一的PET降解酶，可在常温常压的条件下分解各类废弃PET物料（饮料瓶、涤纶织物、包装带等），单体产物 - 对苯二甲酸和乙二醇再经聚合即可获得全新的重生PET塑料，进一步用于生产食品包装、纺织纤维、工程材料及光学器件，真正实现PET的升级回收和无限循环利用（图3）。

 

图4：(a) 源天生物的产品包装；(b) 10公斤级rb PET产品；(c) rb PET产品特写（图源网络）

以多种类型的废旧PET纺织物作为原料，源天生物已实现100 L规模rPTA（对苯二甲酸）的稳定批量生产的全流程技术突破，目前已完成5批次10公斤级rPTA的质量稳定输出，通过多次聚合测试，rPET产品质量参数满足市场需求，已送样3家下游客户，获得正向反馈。由此，源天生物成为国内首家达成10公斤级别rPET稳定生产的企业，为行业发展带来了新的契机（图4）。

相较于中国，国外对PET生物回收技术的研究和应用起步更早，欧美国家在PET生物回收技术研发方面处于领先地位。一些国际知名企业如可口可乐、宝洁等已经成功地将PET生物回收技术应用于生产过程中，并将其推广到全球范围内。例如，可口可乐公司与一些合作伙伴合作，开发出一种利用微生物分解PET塑料的方法，并将其应用于生产新型包装材料中。此外，一些欧洲国家也在积极推动PET生物回收技术的发展，例如荷兰政府支持的一项研究项目成功地开发出一种能够将PET塑料转化为燃料的技术。这些国家通过制定严格的环保法规，鼓励企业加大对PET回收技术的研发和应用力度。

总部位于法国的Carbios是一家绿色化学公司，主要业务是为塑料和纺织聚合物的生物降解和生物回收提供创新的酶促生物工艺。2020年，Carbios研究团队在《Nature自然》杂志上发表论文，声称从PET污染的环境中筛选出了数千种微生物，并根据以往发表的研究，共挑选了10万种微生物，经过20位科学家近2年的研究，最终获得了一种高效的PET水解酶，在72℃的条件下，这种酶能在10小时内将1吨的废旧塑料瓶分解近90%。而近期的数据显示，该酶可在16小时内分解97%的任何种类的PET塑料，比迄今为止任何生物塑料回收试验的效率都高出1万倍。该专利酶可以分解彩色PET塑料，并制造食品级的透明PET瓶，其性能与传统方法制造的PET完全相同。

2021年6月，雀巢、百事可乐、欧莱雅和三得利欧洲公司等几家品牌商宣布，首次成功地由酶回收技术生产出世界上第一个以废弃塑料为原料的食品级rPET塑料瓶，这项技术就是Carbios公司研发的，Carbios为这些合作伙伴分别生产了样瓶（图5）。这些品牌将共同努力来扩大这一创新，以助力于满足全球对可持续包装解决方案的需求。

 

一些挑战

尽管PET生物回收技术具有广阔的应用前景，但目前实现广泛商业化或工业化推广仍面临一些技术和成本上的障碍与挑战。

首先，PET生物回收技术的研发和运营成本相对较高，需要大量的投资和技术支持才能实现商业化生产。只要化石燃料价格一直低廉，原生塑料仍然便宜，生物酶回收制备而成的再生塑料就可能无法与其竞争。

其次，PET废塑料的收集和处理难度较大，需要建立完善的回收体系和基础设施。PET生物回收产品的产业链尚不完整，缺乏规范化、标准化的运作模式，影响了其商业化推广。

此外，尽管政府对环保产业给予了一定的支持，但在PET生物回收技术的法规政策方面仍不健全，这也给企业的商业化推广带来一定困扰。

 

未来的机遇

尽管面临诸多挑战，但作为解决塑料污染问题的重要手段，PET生物回收技术具有广阔的应用前景和巨大的发展潜力。

PET生物回收的商业化即将到来，前面已重点介绍的法国Carbios公司于2023年10月26日宣称，已经获得世界上首家PET生物回收工厂建设许可和运营许可证。该工厂位于于法国朗拉维尔，将为PET废弃物提供工业规模的酶回收解决方案，占地13.7公顷，毗邻Carbios战略合作伙伴Indorama Ventures的PET生产工厂。这个最先进的设施将拥有每年5万吨消费后PET废弃物的处理能力，这个数字相当于可处理20亿个彩色PET瓶或25亿个PET食品托盘。该工厂的建设预计在2023年底前开始，预计将在2025年开始调试。总投资估计约为2.3亿欧元（约合人民币18亿元）。

另一家来自澳大利亚的初创公司Samsara Eco，计划于2024年在墨尔本开设一家类似的2万吨工厂，专注于PET的回收。

当然，PET只是众多塑料的一种。混碳骨架塑料是指中心骨架由碳和其他原子（如氧和氮）交织组成的聚合物，PET的骨架就是碳与氧交织在一起，这类塑料最适合生物回收利用，主要因为现有的酶可以打断混碳骨架中的化学键。与PET拥有类似化学结构的塑料，如聚酰胺（PA）和聚氨酯（PU），也是酶回收的潜在目标。与之对比，具有碳-碳主链的聚合物则极其难以分解，包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯醇（PVA）、聚苯乙烯（PS）和聚乙烯（PE），酶降解回收在它们面前就高兴不起来了，酶的“小手”无法牢牢地抓住这些“油腻大叔”。尽管如此，酶只是塑料回收难题中的一环，目前还不清楚利用这些酶进行规模化处理的难易程度，永远不会有适用于所有情况的完美方案，这就是一条人生和科学哲理吧！

目前实现PET生物回收的广泛商业化推广仍面临一些挑战，但随着技术的不断进步、市场需求增长以及政府对环保产业的支持力度不断加大，PET生物回收技术将迎来更多的发展机遇。例如科学家们正在利用人工智能（AI）来增强酶的活性，使其能更快地降解聚合物，对目标底物要求更宽松，并能够承受更广的温度范围。许多种类的细菌和真菌可以破坏PET这种“顽固”的芳香族聚合物，这激发了人们更深入研究它们的好奇心，从而找到现有问题的永久性解决方案，诸如酶修饰和基因重塑等技术可以获得更快更好的结果。未来，将有更多企业投身于这一领域的研究和应用，为保护我们的环境、推动可持续发展而作出贡献，生物回收一定有戏！

 

文/冯大勇

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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