废弃塑料的回收与利用(破解废弃塑料再利用难题，“酶法回收”商业化步入倒计时？)

Posted 2023-05-25

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废弃塑料的回收与利用(破解废弃塑料再利用难题，“酶法回收”商业化步入倒计时？)

全球废弃塑料问题将需要多元的技术和政策解决方案，但以酶法回收为代表的化学回收技术有望成为中流砥柱。

如今，我们每个人似乎都很难想象自己的生活中完全没有塑料制品的身影。但实际上，塑料的大规模生产和使用只能追溯到1950年左右。可以说，正是第二次世界大战带动了塑化工业从军事领域向民用领域的外溢，随之而来的就是一发不可收拾的快速增长。

而自那以后至今的70多年时间里，人类累计生产了约91亿吨的塑料。研究人员估计，这些塑料产生的废弃物只有约9%被回收利用，12%被焚烧，剩下的79%则被堆积在各地的垃圾填埋场或自然环境中。

如果照目前的趋势下去，到2050年，全球被填埋的塑料废弃物将会超过120亿吨。

在此背景下，全球范围内的塑料回收正如火如荼地展开。根据Global Industry Analysts公司的评估，今年的全球塑料回收市场规模约为364亿美元，预计到2026年将达到473亿美元。

中国物资再生协会再生塑料分会统计和测算，2021年中国废塑料回收量约为1,900万吨，较2020年（1,600万吨）增加约300万吨，同比增加19%。废塑料回收利用产值约为1,050亿元，较2020年（790亿元）同比增涨33%。

但令人担忧的一面是，时至今日的塑料回收模式仍然非常粗糙。通过将旧塑料打磨、清洗、熔化，然后重新制作成新产品的传统热机械回收方式会严重降低产品的使用寿命。

在最好的情况下，类似塑料瓶的材料也仅可以循环使用三次，然后就不能使用了。而更多的时候，这些垃圾会被“降级”成为低价值的材料，比如衣服和地毯——这些材料最终还是会被丢弃到垃圾填埋场。

“可以说，热机械回收根本就不是回收！”法国Carbios公司的首席科学官Alain Marty说，“到最后，那些塑料制品还是会变成垃圾。”

而为了突破塑料回收的瓶颈，Carbios等创业公司尝试了另一条路——“解聚合”（Depolymerization）。原理上，解聚合是将聚合物（构成塑料的链状分子）分解成基本的分子构件，即单体。然后这些单体可以被重新组装成聚合物，就其物理性能而言，它们和新的一样。理论上，一个塑料瓶可以一直用这种方式进行反复回收利用。

不仅如此，在商业化和廉价原生塑料的竞争压力下，Carbios还启用了一项在回收领域显得非常规的技术——转基因酶。

酶在生物体内一般起到催化化学反应的作用。例如，在人体内，酶可以将淀粉转化为糖，将蛋白质转化为氨基酸。在过去的几年里，Carbios一直在改进一种方法，即利用一种在微生物中发现的酶将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，一种纺织品和塑料瓶的常见成分）转化为其组成单体对苯二甲酸和单乙二醇。

Marty表示，Carbios自2011年成立以来一直在研究酶法回收技术，但六年前在日本堺市一家瓶子回收工厂外的发现帮助推动了该技术的进展。彼时，由京都工业大学和庆应义塾大学的研究人员领导的小组发现了一种单一的细菌物种Ideonella sakaiensis，它既能分解PET，又可以将其用作食物。

之所以能做到这一点，是因为Ideonella sakaiensis含有一对酶，这两种酶结合在一起，就可以切断组成 PET 的分子键。

Ideonella sakaiensis

可喜的是，酶法回收的前景并不限于PET，也可能适用于其他塑料，包括用于泡沫塑料、绝缘材料和油漆的聚氨酯。但毫无疑问的是，作为目前产量最大的塑料品类之一，PET为Carbios们提供了最广阔的商业机会。

Marty强调，相较于依靠无机催化剂的传统解聚合技术，Carbios基于酶的方法更具优势——它们可以更精确地瞄准特定分子上的特定部位，因此可以产生更纯净的产品。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，酶也有其自身的缺点和弊端，那就是它们反应过程较为缓慢，而且在高温下会变得不稳定。在早期的实验中，有时仅处理一批PET的一小部分就需要数周时间。

为了克服这个问题，Marty和他在 Carbios 的同事以及法国的研究人员在2020年宣布，他们已经开发出一种酶——角质酶，其广泛存在于分解树叶的微生物中。这种酶可以承受较高的温度，并能够在几个小时内将几乎一整批 PET 转化为单体。这一发现极大地促进了酶回收的商业前景，在随后的10个月里，Carbios在巴黎交易所的股价增长了约8倍。

去年9月，Carbios开始在其位于法国克莱蒙费朗（Clermont-Ferrand）的总部附近的一个示范设施测试其技术。到达这里的废旧PET是预处理过的薄片，直径约为0.5厘米。在一个近5米高的反应器中，这些薄片与丹麦生物技术公司Novozymes生产的角质酶混合，并被加热到略高于60摄氏度。

Marty说，在10个小时内，送入反应器的95%的塑料（相当于10万个塑料瓶）可以转化为单体，然后被过滤、提纯，并准备用于塑料制造。剩下的5%则主要由未反应的塑料和杂质组成，会被适当焚烧掉。

目前，Carbios的回收技术已经吸引了一些全球顶级消费品公司的注意。欧莱雅、雀巢和百事公司已经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摆上货架。

当然，有捧就有踩，位于美国的非营利性回收公司Eco-Cycle的政策和研究主任Kate Bailey说，在她从事回收行业的20年里，她对Carbios所吹嘘的那种生物技术修复方法越来越怀疑了。Bailey指出，酶法回收如何进行大规模商业化的问题仍然存在，这还不包括其附带产生的能源消耗和有毒化学添加剂等影响。

对此，Marty也承认Carbios的工艺确实比传统的回收方法更耗费能源，但他补充说，将酶法回收与热机械工艺进行比较是不公平的，后者不能产生高质量的回收产品。而且，与从石油中生产原生PET相比，酶法回收需要的能源更少，释放的温室气体也更少。至于添加剂，他说它们在反应后处理和焚烧过程中被过滤掉了。

相比之下，阻碍酶法回收推广和普及的最大屏障可能还是要回到成本话题上，毕竟现如今制造原生塑料还是非常便宜的，尤其是在石油价格低迷的情况下。

美国国家可再生能源实验室（U.S. National Renewable Energy Laboratory）在其分析中估计，通过酶法回收生产的PET单体的价格至少为每公斤1.93美元，而自2010年以来，原生石油基单体的价格在每公斤0.90美元至1.50美元之间。如今，在新能源的冲击下，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，油价正在上涨，欧洲对化石燃料使用的监管越来越严格，这使再生塑料在欧洲更具竞争力。一些消费品巨头已经公开承诺采购更多的回收材料。可口可乐公司承诺，到2030年，其一半的包装将使用再生材料，而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，它的成本当然会高一点，”Marty说。“但随着经验的积累，我们会逐步降低这种再生PET的成本。”

Carbios的商业模式

不过，德国汉堡大学的微生物学家Wolfgang Streit说，即使一些公司在PET酶法回收方面取得了商业上的成功，还是会有一些聚合物难以适用。他解释说，像聚氯乙烯（用于PVC管道）和聚苯乙烯（用于聚苯乙烯泡沫塑料）这样的聚合物，是由强大的碳-碳键固定在一起的，这种碳-碳键太过坚固，酶无法克服。

而解决这个问题的可能方案是限制难以回收的塑料的生产，并提高PET等材料的回收率。目前，全球生产的大多数PET不是用于瓶子，而是用于纺织纤维，由于这些纤维通常含有混合材料，因此很少被回收利用。

Marty说，恰好Carbios正在努力填补这一空白。法国公司米其林已经验证了该公司的技术，该技术可以使其将废旧纺织品和瓶子回收为轮胎纤维。它的目标是在2023年启动纺织品回收业务，Marty说，该公司有望在2025年建立一个44,000吨容量的处理设施。

美国国家可再生能源实验室的高级研究员Gregg Beckham认为，全球废弃塑料问题将需要多种多样的技术和政策解决方案，但他说，酶法回收和其他化学回收技术正在迅速发展，他对它们将发挥作用感到乐观，“传统解决方案难以发挥的场景十分普遍，而化学回收就可以很好地进行替代。”他说。