Wanilina z plastikowych butelek, czyli upcykling w mikrobiologicznym wydaniu

Rocznie w skali świata produkujemy około 311 milionów ton plastiku (z czego znaczną część stanowią jednorazowe butelki), a recyklingujemy zaledwie 14% z tej wartości [1]. W rzeczywistości statystyki wyglądają prawdopodobnie jeszcze gorzej – te dane mają już bowiem kilka lat. Dlaczego tak się dzieje? Cóż, recykling plastikowych butelek jest po prostu wciąż bardzo mało opłacalny. Rozwiązanie tego problemu jest kluczowe, jeśli chcemy poradzić sobie z zanieczyszczeniem tworzywami sztucznymi jednorazowego użytku [2]. Musimy oczywiście ograniczać ich zużycie i produkcję, ale z tymi, które już tutaj są, też trzeba się rozprawić. Dobra wiadomość jest taka, że możemy przerobić je na cenne i potrzebne związki chemiczne – takie jak np. wanilina.

Dlaczego akurat wanilina?

Tak, wanilina to składnik spożywczego cukru wanilinowego i główny składnik zapachowy wanilii. Pozyskiwanie jej z plastikowych odpadów w pierwszym odruchu budzi pewnie sporo wątpliwości. Ma to jednak znacznie więcej sensu, niż może się wydawać.

Mimo, że aromat waniliowy kojarzy nam się z laską wanilii, pozyskuje się go dzisiaj głównie za pośrednictwem procesów chemicznych. Większość (85%) zapotrzebowania na tę substancję zaspokaja przemysł petrochemiczny – innymi słowy, swój początek ma w paliwach kopalnych [3]. Można pozyskać ją także w innych energochłonnych procesach, np. z ligniny. Wanilina otrzymywana w ten sposób jest chemicznie identyczna z tą ekstrahowaną z wanilii płaskolistnej, ma od niej jednak znacznie wyższy ślad węglowy. No i napędza zużycie paliw kopalnych.

wanilia

Nie miałoby to być może tak dużego znaczenia gdyby nie fakt, że substancji tej zużywamy rocznie ponad 20 tys. ton [3]. Wykorzystujemy ją zarówno do produkcji żywności, jak i kosmetyków, perfum, chemii domowej, farmaceutyków czy herbicydów. Takiego popytu nie jesteśmy w stanie zaspokoić ze źródeł roślinnych. Każde zrównoważone ekologicznie źródło aromatu waniliowego jest zatem mile widziane. Tym bardziej, jeśli pochodzi z odpadów, które w przeciwnym wypadku wylądowałyby na wysypisku lub w oceanie.

Upcykling ropopochodnych śmieci zamiast napędzania wydobycia paliw kopalnych? Rozwiązanie niemal idealne – chociaż trochę skomplikowane technologicznie (i biologicznie).

Aromat waniliowy z PET i bakterii

Do produkcji waniliny z niepotrzebnych już, plastikowych butelek pomysłodawcy postanowili zaangażować mikroorganizmy. Jest to częsta praktyka w wielu procesach produkcyjnych przeprowadzanych na szeroką skalę. Nic w tym dziwnego – bakterie łatwo kontrolować i modyfikować tak, żeby działały na naszą korzyść.

W tym przypadku naukowcy poddali genetycznej modyfikacji bakterie Escherichia coli. Te drobne organizmy zostały “zaprogramowane” na poziomie genetycznym tak, by przetwarzać składowe PET na wanilinę. Dzięki bioinżynieryjnym zabiegom są zdolne przekonwertować aż 79% kwasu tereftalowego (terephthalic acid – TA) z PET na wanilinę [4]. Nie potrzebują do tego też wyjątkowych warunków. Wystarczy podgrzać je do 37 stopni Celsjusza (czyli do temperatury warzenia piwa) [2]. Naukowcy twierdzą nawet, że są w stanie jeszcze bardziej zoptymalizować proces – tak, żeby przetwarzać TA na aromat waniliowy bezstratnie.

e. coli

Co więcej, wygląda na to, że wanilina to dopiero początek. Butelki PET można bowiem w analogiczny sposób przerobić na inne związki chemiczne powszechnie wykorzystywane np. do produkcji perfum. Dzięki takim przełomowym zabiegom wychodzimy nawet poza recykling. Bo po co z plastiku tworzyć kolejny plastik, skoro można inne, przydatne substancje?

I pomyśleć, że wszystko zaczęło się od.. przypadku.

Krótka historia przydatnego zrządzenia losu

Wyprodukowanie waniliny z plastikowych odpadów nie byłoby bowiem możliwe bez ich wcześniejszej, wstępnej obróbki. Butelkę PET trzeba przecież najpierw rozłożyć do bardziej podstawowych związków (w tym przypadku TA). Tutaj z pomocą przychodzą enzymy odkryte kilka lat temu – przez zupełny przypadek.

W 2016 roku grupa japońskich naukowców po raz pierwszy opisała gatunek bakterii zdolny do rozkładania poli(tereftalanu etylenu), czyli popularnego PET [5]. To przełomowe odkrycie zmotywowało badaczy do dalszego zgłębiania pochodzenia i właściwości enzymu. Szybko stało się jasne, że modyfikacje poczynione w ramach badań niecelowo wzmocniły jego zdolności do rozkładania polimeru. Ku zaskoczeniu naukowców okazało się, że enzym potraktowany specjalnym laserem może rozkładać plastikowe butelki 20% szybciej [6].

PEtaza

O ile – względem innych, używanych przemysłowo enzymów – nie jest to spektakularnym osiągnięciem, daje duże nadzieje. Teraz już wiemy, że istnieje substancja rozkładająca plastik, którą możemy ulepszyć i wykorzystać na szeroką skalę.

Jest to nie tylko ogromny krok w kierunku całkowitego, skutecznego recyklingu tworzyw sztucznych i gospodarki o obiegu zamkniętym, ale także potencjalnego upcyklingu PET. Tak, na przykład do waniliny.

Źródła

  • [1] Bornscheuer U.T., 2016: Feeding on plastic. Science, 351: 1154-1155.
  • [2] Carrington D., 2021: Scientists convert used plastic bottles into vanilla flavouring. The Guardian [dostęp 17.06.2021].
  • [3] Ciriminna R., Fidalgo A., Meneguzzo F., Parrino F., Ilharco L. M., Pagliaro M., 2019: Vanillin: The Case for Greener Production Driven by Sustainability Megatrend. ChemistryOpen, 8: 660-667.
  • [4] Sadler J.C., Wallace S., 2021: Microbial synthesis of vanillin from waste poly(ethylene terephthalate). Green Chemistry.
  • [5] Yoshida S., Hiraga K., Takehana T., Taniguchi I., Yamaji H., Maeda Y., Oda K., 2016: A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate). Science, 351: 1196-1199.
  • [6] Carrington D., 2018: Scientists accidentally create mutant enzyme that eats plastic bottles. The Guardian [dostęp 17.06.2021].
    Podziel się swoją opinią

    Dodaj Odpowiedź

    EcoReactor
    Logo
    Login/Register access is temporary disabled
    Compare items
    • Total (0)
    Compare
    0