《Process Biochemistry》：Poly(ethylene terephthalate) catalytic recycling process based on Vibrio natriegens formate metabolism
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PET回收技术 整合催化系统 电催化氧化 非无菌酶生产 协同处理|
林张|郭一伟|刘海亮|邱敖倩|张嘉兴|游胜平|苏荣新|齐伟
天津大学化学工程与技术学院化学工程研究中心，中国天津市300350
摘要
废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的不断积累对生态环境构成了严重威胁。尽管现有的回收技术提供了有前景的解决方案，但其广泛应用受到高成本、高能耗和低效率的阻碍。为了解决这些问题，我们开发了一种催化系统，该系统结合了糖酵解电转化和酶促水解，实现了PET的有效转化以及含甲酸废水的资源化利用。在该系统中，PET通过KHCO3催化的糖酵解被高效降解，生成了96.5%的双(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（BHET）和单(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（MHET）。随后，使用Co, Cl-NiS催化剂将乙二醇（EG）电氧化为甲酸，实现了高达90%的法拉第效率和超过80%的甲酸产率。然后，这种生成的甲酸作为碳源，在非无菌条件下用于培养Vibrio natriegens，以生产FAST-PETase和KL-MHETase。粗酶提取物能够高效催化150?克/升粗BHET混合物的水解。总之，本研究建立了一个整合了化学、电化学和生物过程的催化平台，为废弃PET的闭环回收提供了一条新颖且可持续的途径。
引言
塑料在现代生活中不可或缺，但塑料废物的不断积累对环境和人类健康构成了严重威胁[1]，[2]。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是世界上最广泛使用的塑料之一，可以通过对苯二甲酸（TPA）和乙二醇（EG）的缩聚反应或二甲基对苯二甲酸（DMT）和EG的酯交换反应合成[3]。由于其优异的机械性能、热稳定性、对气体和液体的不渗透性以及高透明度，PET被广泛用于纺织纤维、饮料瓶和食品包装[4]。然而，PET的化学惰性使其在自然环境中极难降解[5]，需要人为干预才能进行处理和回收。否则，PET废物的长期积累会对陆地和海洋生态系统造成严重破坏[6]，[7]。因此，实现PET的高效回收和资源化利用具有重要的环境和经济意义。
目前，PET的回收技术主要包括机械回收、化学回收和生物回收方法。化学回收方法包括水解[8]，[9]、醇解[10]，[11]、糖酵解[12]，[13]、胺解[14]，[15]，[16]，这些方法可以快速将PET降解为单体和低聚物，但需要复杂的分离步骤。此外，PET糖酵解过程会产生废乙二醇（EG）。相比之下，酶促水解在温和条件下进行，能产生高纯度的产品[17]，但降解速率较化学方法慢[18]。为了结合化学和生物方法的优势，提出了一种集成策略：首先通过糖酵解降解PET，生成低聚物中间体，然后进行酶促水解，从而产生TPA单体[19]，[20]，[21]。这种顺序处理提高了底物的可及性和整体降解效率。此外，使用粗酶提取物进行降解可以避免复杂的纯化步骤，并防止纯化过程中酶的损失[22]。为了解决处理废EG时高能耗的问题，研究人员探索了通过电催化氧化将其转化为甲酸或甲酸盐[23]，[24]，[25]，[26]，[27]，以及通过生物转化将其升级为高价值的羟基酸[28]，[29]，[30]，从而实现PET单体的升级循环利用和可持续性。
在异源表达PET水解酶时，大肠杆菌（E. coli）通常被用作宿主[31]，[32]，[33]，[34]。然而，实际的发酵过程面临污染易感性、高能耗和酶产率有限等挑战。相比之下，Vibrio natriegens（V. natriegens）具有优于传统宿主的多个优点，包括快速生长、强的环境适应性和广泛的底物利用能力，使其成为合成生物学中下一代生产宿主的候选者[35]，[36]，[37]。值得注意的是，它拥有完整的还原性甘氨酸途径和丝氨酸循环，能够高效代谢甲酸盐[38]。这一特性使其非常适合构建基于甲酸盐的生物转化系统，用于处理由EG产生的含甲酸盐废水。此外，由于其嗜盐代谢特性，V. natriegens具有天然的抗污染能力[39]，能够在开放或非无菌条件下稳定高效地生产PET水解酶[40]。这大大降低了能源投入和操作复杂性，显示出在工业应用中的巨大潜力。
如上所述，PET的糖酵解和酶促水解因其温和的反应条件而受到广泛关注，但传统方法存在许多局限性。糖酵解产物BHET和发酵所得酶的纯化过程复杂，常常导致产品和酶的损失。此外，糖酵解会产生大量废乙二醇，增加环境负担和处理成本。另外，发酵过程需要严格的灭菌，这非常耗能。为了提高这项组合技术的工业适用性，本研究对传统的糖酵解-酶促水解过程进行了改进。我们开发了一种将糖酵解与双酶协同催化相结合的系统，用于PET的转化。该系统利用V. natriegens对高浓度甲酸盐的耐受性和利用能力，以及其对高盐环境的自然适应性，提高了抗污染能力。这使得含甲酸盐废水转化为碳源，从而在非无菌条件下生产FAST-PETase[34]和KL-MHETase[41]。通过使用糖酵解产物作为双酶水解反应中的底物，PET的整体降解效率显著提高。这一过程为处理高盐度废水和通过“废物转废物”的方式实现PET的循环利用提供了一种新策略，大幅降低了能源消耗和酶生产中的无菌处理要求，为环保型PET回收提供了经济可行的解决方案。
材料与化学品
本研究中使用的PET材料来自淘宝（阿里巴巴集团，中国）购买的PET包装盒，结晶度为27.32%[42]。双(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（BHET）、单(2-羟基乙基)对苯二甲酸酯（MHET）和对苯二甲酸（TPA）从上海阿拉丁生化科技有限公司（中国）购买。乙二醇（EG）从上海Titan Scientific有限公司购买。碳酸氢钾（KHCO3）从上海购买
PET回收过程的改进
在所提出的过程中（图1），糖酵解反应混合物仅经过简单过滤和结晶即可分离出BHET混合物，并回收乙二醇以供再利用。所得产品可以直接作为后续酶促水解的底物，无需进一步纯化。此外，经过三次回收的废乙二醇可以通过电催化氧化高效转化为甲酸盐，为后续过程提供宝贵的碳源
结论
本研究开发了一种新型PET回收系统，结合了化学、电化学和生物催化技术，利用了V. natriegens的天然甲酸盐耐受性和代谢能力。该系统首先采用KHCO3催化的糖酵解实现PET的高效降解，BHET和MHET的总产率达到96.5%。随后，乙二醇可以通过电氧化转化为甲酸盐，作为培养V.的额外碳源
CRediT作者贡献声明
刘海亮：验证、方法学、研究。邱敖倩：撰写——初稿、验证、方法学、研究、数据管理。林张：撰写——审阅与编辑、方法学、研究、数据管理。郭一伟：撰写——初稿、验证、方法学、研究、数据管理。苏荣新：资源支持。齐伟：监督、项目管理。张嘉兴：撰写——审阅与编辑、软件、方法学。游胜平：撰写——审阅与编辑
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFC2106300）、国家自然科学基金（编号22278314、22078239）以及企业委托项目2023GKF0249和2023GKF-0686的支持。
