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高結晶性ポリエチレンテレフタレート(PET)の酵素的解重合

バイオプラ
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    ポリエチレンテレフタレート(PET)は最もリサイクルされているプラスチックであすが、酵素を利用した解重合について、こちらの論文「Enzymatic depolymerization of highly crystalline polyethylene terephthalate enabled in moist-solid reaction mixtures」を見ていきたいと思います。

    これまで、低結晶性PETを解重合できる酵素がいくつか報告されているが、一般的に消費者向け製品に見られる高結晶性PETの効率的な解重合は、まだ達成されていない。

    ここでは、湿潤-固体反応混合物中で、Humicola insolens由来のクチナーゼ(HiC)が、PETを非晶質化したり前処理したりすることなく、高結晶性PETを収率50%でテレフタル酸に効率的に加水分解できることを報告している。

    湿潤固体中でのHumicola insolens由来のクチナーゼ(HiC) (Novozym 51032) )によるPETの酵素的加水分解 結果と考察

    市販の結晶化度36%のPET粉末をモデル基質として使用し、酵素(0.6 wt%)と最小量の緩衝液の存在下でPET粉砕後、55℃で7日間静置された。

    湿潤固相条件下では、高結晶性PETは、ポリマーのガラス転移点よりかなり低い温度で、20±1%の収率でTPAにきれいに解重合される。

    粗混合物を高圧液体クロマトグラフィー(HPLC)で分析したところ、モノ(2-ヒドロキシエチル)テレフタレート(MHET)に対するテレフタル酸(TPA)の選択性は20倍で、ビス(2-ヒドロキシエチル)テレフタレート(BHET)や他のオリゴマーは検出されなかった。

    これは、従来の水性条件で行った同等の反応とは対照的であり、収率10%で進行し、7日後にMHETに対するTPAの選択性はわずか2.8倍であった

    驚くべきことに、反応物を 5 分間手作業で混合するだけで、7 日間で 19 ± 1%の収率で TPA を得ることができた。

    しかし、反応物の再現性のある混合を確実にするため、以降の実験ではすべてボールミル(粉砕機)を使用した。同じ条件下で反応を試みたが、酵素がないため、TPAへの変換率はわずか0.02%であった。

    最適なエージング温度は45~55℃であることがわかった。

    これは、クチナーゼによるPETの溶液内解重合が報告されているのとは対照的で、60℃以上で結晶化度の低いPETでのみ効率的である。


    Humicola insolens由来のクチナーゼ(HiC)酵素は、緩衝液の性質や濃度(0.1~1M)にかかわらず、pH6~9の範囲で同程度の活性を維持した。TPAの水溶性の低さから、TPAが緩衝液に大きく溶解することはないと予想される。

    実際、55℃で7日間熟成した後に記録された粉末X線回折(PXRD)パターンは、結晶性TPAの存在を示しており、これは緩衝液のpHに意味のある影響を与えないと予想され、幅広い緩衝液濃度に対する反応の耐性と一致する。

    水のみで行った反応では、TPA収率が14±1%とわずかに低かった。

    ポストコンシューマーPETおよびその他のプラスチックの加水分解

    ポストコンシューマーPETに対する本プロセスの有効性を探るため、まず3種類の粉末状透明ポストコンシューマーPETボトル(結晶性30~35%、透明、緑色、水色)の加水分解を調べた。

    ポストコンシューマーとは、使用済みのPET製品から回収されたPETのことです。

    0.1Mリン酸ナトリウム緩衝液(pH7.3)で、0.6wt%のHiCを添加したこれらのPET粉末をボールミルで粉砕(5分または30分)およびエージング(7日間)すると、16±2%(透明)、13.0±0.4%(緑色)、および14.4±0.7%(水色)のTPA収率が得られた。

    注目すべきは、エージング前に無傷の透明PETボトル片を酵素で粉砕しても、同等のTPA収率(15±4%)に達したことであり、試料の予備粉砕を回避できることが示唆された。

    同様に、80%リサイクル含有と表示された黒色ポストコンシューマーPET容器を粉末化した場合も、同様の条件で15±1%のTPAが得られた。反応混合物に微結晶セルロースまたはポリスチレンを添加しても、HiCによるPETの解重合には影響しなかった。

    これらの結果は、一般的なポストコンシューマープラスチックの不純物が存在しても、湿潤-固体環境下でPETの加水分解が進行することを示している。

    まとめ

    • 酵素的加水分解は、従来のPETリサイクルよりも環境負荷が低く、効率的な方法である。
    • Humicola insolens由来のクチナーゼ(HiC)は、高結晶性PETを効率的に加水分解する可能性を秘めている。
    • 今後の課題としては、酵素活性の向上、反応速度の向上、酵素の安定性の向上、経済性の向上などが挙げられる。
    • これらの課題を克服することで、酵素的加水分解はPETリサイクルの主流な方法になる可能性がある。

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