آپ سایکلینگ بیولوژیکی و شیمیایی PET

یک تیر و دو نشان: آپ سایکلینگ بیولوژیکی و شیمیایی پلاستیک‌های پلی اتیلن ترفتالات در مواد غذایی

اکثر زباله‌های پلاستیکی پلی اتیلن ترفتالات (PET) یا در زمین دفن می‌شوند و یا محیط را آلوده می‌کنند. علاوه براین، تولید غذا در سراسر جهان باید برای حمایت از جمعیت روبه رشد افزایش یابد. این مقاله امکان استفاده از میکروارگانیسم‌ها را در یک سیستم صنعتی که PET را به پودر پروتئین میکروبی خوراکی به منظور حل دو مشکل به طور همزمان آپ سایکل می‌کند. میکروارگانیسم‌های زیادی می‌توانند از پلاستیک به عنوان ماده اولیه استفاده کنند و زیست توده میکروبی حاصل از آن حاوی چربی، مواد مغذی و پروتئین‌هایی مشابه پروتئین‌های موجود در رژیم غذایی انسان است. از آنجا که تجزیه میکروبی PET امیدوارکننده است، اما پلیمریزاسیون بیولوژیکی PET نیز برای حل آن بحران جهانی پلاستیک و کمبود مواد غذایی پیش بینی شده کند عمل می‌کند. شواهد بررسی شده در اینجا نشان می‌دهد که با پلیمریزاسیون شیمیایی، تجزیه بیولوژیکی PET و استفاده از جوامع میکروبی هماهنگ میکروب‌ها می‌توانند به طور موثری ضایعات PET را به غذا تبدیل کنند.

دو مشکل، یک راه حل

سالانه بیش از 350 میلیون تن پلاستیک در جهان تولید می‌شود. بیش از 70 درصد از ضایعات پلاستیک در محل‌های دفن زباله و اقیانوس‌ها انباشته می‌شوند زیرا روش‌های بازیافت فعلی پرهزینه، ناکارآمد و یا غیرعملی هستند. برخلاف اهداف اتحادیه اروپا برای دفن کمتر از 10 درصدی زباله‌های پلاستیکی و بازیافت 65 درصدی زباله‌های شهری تا سال 2030، همچنان حدود 30 درصد زباله‌های پلاستیکی در اروپا دفن می‌شوند. انتظار می‌رود تولید ضایعات پلاستیکی در آسیا و اقیانوسیه تا سال 2030 به 140 میلیون تن برسد که 51 درصد از تولید جهانی را شامل می‌شود. در ایالات متحده امریکا بیش از 75 درصد از زباله‌های پلاستیکی دفن شده و کمتر از 10 درصد از آنها بازیافت می‌شود. مدیریت پسماند پلاستیکی یک موضوع مهم جهانی است که به نوآوری و خلاقیت نیاز دارد. امنیت غذایی جهانی نگرانی دیگری است. بیش از 820 میلیون نفر در جهان از سوءتغذیه شدید رنج می‌برند که 150.8 میلیون کودک هستند و از این تعداد، 50.5 میلیون کودک زیر 5 سال هستند. تولید غذا باید تا قبل از سال 2050 در حمایت از رشد جمعیت پیش بینی شده تا 70 درصد افزایش یابد. تغییرات آب و هوایی به تخریب زمین‌های قابل کشت ادامه داده و افزایش تولید مواد غذایی را چالش برانگیزتر می‌کند. دمای درحال افزایش جهانی، رویدادهای شدید آب و هوایی و منابع آب زیرزمینی تحت فشار به طور فزاینده‌ای بر تولید غذا اثرات منفی دارند. مطالعات نشان داده‌اند که منابع غذایی جایگزین (سوخت‌های فسیلی، چوب یا ضایعات کشاورزی که به غذا تبدیل می‌شوند) می‌توانند نیاز کل جمعیت انسانی را بدون کشاورزی معمول تامین کنند. به عنوان مثال، ذخیره زیست توده خشک در پوشش گیاهی حدود 1200 گرم در تن است و با کمک قارچ‌ها که برای فرآوری فیبر در هضم موش‌ها استفاده می‌شود، راندمان کلی حدود 4 درصد خواهد بود و با استفاده از ریشه دوم نرخ رشد ایده آل 2 سال طول می‌کشد تا به ظرفیت کامل غذای انسانی برسد. راه حل‌های خلاقانه و نوآورانه برای حمایت از جمعیت جهانی به طور پایدار به زمان مورد نیاز خواهد داشت. در اینجا به بررسی پیشرفت‌های اخیر در پردازش شیمیایی و بیولوژیکی ضایعات پلاستیکی و تولید پروتئین تک سلولی (SCP) از زیست توده میکروبی پرداخته ایم. ما همچنین ادغام جدید فرایندهای شیمیایی و بیولوژیکی را پیشنهاد می‌کنیم که ضایعات پلاستیکی را به SPC تبدیل می‌کند. اگرچه ما روی PET به عنوان یک سیستم نمونه تمرکز می‌کنیم، رویکرد کلی برای تولید غذا از تجزیه ضایعات پلاستیکی را می‌توان به سایر سیستم‌های میکروبی اعمال کرد. در دیگر مطالعات به تجزیه میکروبی انواع مختلف پلاستیک ازجمله پلی اتیلن و پلی استایرن اشاره کردند. درصورت موفقیت، سیستم پیشنهادی مشکل روبه رشد آلودگی پلاستیک را به حداقل رسانده و یک منبع غذایی جدید معرفی می‌کند.

محدودیت‌های آپ سایکلینگ PETو تحقیقات آینده

چهار حوزه اصلی برای تحقیقات بیشتر درمورد پردازش ترکیبی شیمیایی و بیولوژیکی ضایعات پلاستیک به SCP وجود دارد:

1.طراحی و مقیاس بندی سیستم‌های راکتور برای ساختارشکنی مواد شیمیایی و بهینه سازی بازدهی، نرخ، تیتر و کیفیت پردازش زیستی

2. روش‌های توسعۀ جوامع میکروبی سازگار از بسترهای پیچیده

3. تایید ایمنی و ارزش غذایی محصولات غذایی SCP

4. تعیین پایداری اقتصادی، زیست محیطی و اجتماعی این فرایند درمقایسه با کشاورزی متعارف و سیستم‌های پلاستیکی

آمینولیز PET ضایعاتی درحال حاضر به صورت تجاری در دسترس نیست زیرا رویکردهای دیگری برای بازسازی مونومرهای با بازیافت شیمیایی روی کار آمده‌اند. برای کاربرد در مقیاس کوچک به تحقیقات گسترده‌ای به منظور توسعه پردازش مداوم و اتوماسیون تولید PET نیاز است. با افزایش مقیاس پایداری فرایند نیز افزایش می‌یابد و در مقیاس‌های عملیاتی بزرگتر به عملکرد بیشتری نیاز است. همچنین برای تعیین و بهینه سازی نرخ، تیتر و بازدهی تولید SCP انجام پژوهش‌های زیست فرآوری ضرورت دارد. باکتری‌های کشت شده در محیط که رشد کُند، تراکم سلولی محدود، مهندسی متابولیک و بهینه سازی زیست فرآوری دارند می‌توانند نرخ رشد را بهبود دهند. مهمتر از همه، TEA فرایند به منظور تعیین معیارهای هدف در یک فرایند اقتصادی مقرون به صرفه است. درحالی که سیستم‌های تک گونه‌ای می‌توانند زیست توده را از PET تجزیه شده تولید کنند، توسعه این فرایند می‌تواند از روش‌های بازیافت شیمیایی مانند پیرولیز بازیافت شیمیایی پلاستیک‌های پلی الفین (پلی اتیلن سنگین و سبک، و پلی پروپیلن) بهره بگیرد. استفاده از جامعه مخلوط باکتری، به‌جای گونه‌های منفرد در بیوراکتورهای جداگانه، می‌تواند نرخ تجزیه زیستی PET و سایر جریان‌های پسماند را بهبود دهد؛ جوامع میکروبی را تثبیت کرده و انعطاف پذیری را در تجزیه مخلوط‌های کمپلکس فراهم می‌کند. به منظور بهینه سازی و مهندسی جوامع میکروبی، درک فعل و انفعالات اکولوژیکی و پایداری این جوامع باکتریایی تخریب کننده پلاستیک بسیار ضرورت دارد. درک بهتر فعل و انفعالات متابولیک در جامعه نشان دهنده چگونگی حفظ عملکرد منسجم در سیستم آپ سایکلینگ PET در آینده است که زمینه را برای بهینه سازی بیشتر فرایند ازطریق مهندسی ترکیب جامعه فراهم نموده و ایمنی محصول نهایی را تضمین می‌کند. روش‌های محاسباتی ازجمله تحلیل تعادل شار ممکن است نه فقط امکان مدل‌سازی روابط جوامع میکروبی را با جزئیات و وضوح بالا را فراهم کند، بلکه پتانسیل زیادی برای کشف تغییرات دینامیک‌های جوامع میکروبی در شرایط مختلف شبیه سازی شده ارائه داده و بهینه سازی نرخ پردازش زیستی را بهبود بخشد.

تحقیقات آتی همچنین به دنبال افزایش قابلیت جوامع میکروبی ازطریق افزودن سویه‌های مهندسی شده یا سویه‌هایی حاوی متابولیسم‌های سودمند (به عنوان مثال، تولید ترکیبات مفید تغذیه‌ای مانند اسیدهای چرب پلی غیراشباع) خواهند بود. در این تحقیقات همچنین بایستی ایمنی و ارزش غذایی SCP تولید شده نیز تعیین شود. در برخی مطالعات به استفاده از SCP تهیه شده از ضایعات همچون ضایعات غذای انسان و حیوانات اشاره شده است. باوجود پتانسیل بالای پروتئین‌های جایگزین در یافتن راه حلی برای چالش‌های موجود در حوزه کشاورزی سنتی، به نمونه سازی سریع انواع مختلف منابع پروتئینی جایگزین نیاز است. انجام آزمایشات بیشتر در تحلیل شیمیایی با وضوح بالا می‌تواند به منظور ارائه بینشی از حضور بالقوه سموم در غذاها استفاده می‌شود. این روش‌ها ممکن است به عنوان یک غربال اولیه برای شناسایی ایزوله‌های جایگزین و جوامعی باشند که از تبدیل ضایعات به SCP زیست توده بدون سّم را تولید می‌کنند. توسعه بیشتر روش‌های درون رایانه ای با هدف شناسایی سّم از داده‌های ژنومی نیز تا حد زیادی تست ایمنی SCP را توسعه خواهد داد. علاوه بر تست‌های ایمنی استاندارد، برخی مطالعات امیدوارکننده استفاده از ارگانیسم‌های مدل جایگزین در آزمایش ایمنی مواد غذایی و افزودنی‌های غذایی را بیان کرده اند. تمامی این پیشرفت‌ها امکان پذیرش سریع‌تر و تست ایمنی منابع پروتئینی جایگزین تولید شده از SCP رشد یافته از ضایعات متنوع را فراهم می‌سازند. درنهایت، همانطور که این فناوری روبه جلو حرکت می‌کند، درک امکان سنجی اقتصادی و زیست محیطی استفاده از SCP به عنوان یک منبع غذایی جایگزین مهم است.