用于回收聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的PET化学和生物集成降解方法

本发明涉及用于回收聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的pet的化学和生物集成解聚方法。

背景技术：

1、构成聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的主要单元是通过酯键交联的对苯二甲酸(tpa)和乙二醇(eg)的聚酯。有三种已知的回收pet的主要方法。第一种方法是通过焚烧和热解的能量回收方法，并且该方法被普遍使用，但具有不期望的副产物、二氧化碳和化学品以及低效率的缺点。第二种方法是用于通过粉碎和重熔生产二次塑料的物理回收，并且具有质量降低的缺点。上述两种方法是低利用率方法，因此结果的值低。第三种方法是化学回收，其取决于溶剂。当使用水时，其为水解，当使用胺时，其为氨解，当使用醇时，其为醇解，并且当使用二醇时，其为糖酵解。然而，该方法也需要苛刻的条件，因此难以在工业规模上应用。此外，由于化学回收的最初目的是获得高纯度的单体从而再次制备纯塑料，因此需要用于获得单体的分离和纯化过程。该方法具有比常规塑料生产过程在经济上效率低的缺点。

2、pet的生物回收仍处于早期阶段。该方法的优点在于，由于pet可以通过生物转化而转化为高价值产品，因此pet升级回收是可能的。然而，仅使用酶难以水解pet，使得实际应用困难。因此，为了促进酶水解，必须通过引入用于pet的化学预处理过程来产生酶优选的底物。因此，重要的是找到适用于生物过程的化学预处理过程。此外，必须使用合适的菌株将酶水解产物转化为高价值平台化学品。

3、相关现有技术文献

4、专利文献

5、韩国未审查专利申请号10-2020-0119213

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明涉及提供有效的化学-生物集成方法，该方法能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的组分作为资源来生产高价值产品，以有效地使pet升级回收。

3、建立集成方法需要三件事情。首先，酶优选的底物必须通过引入用于pet的化学预处理过程来生产，其次，用于生物转化的底物(即，对苯二甲酸和乙二醇)必须使用酶有效地生产。第三，所生产的对苯二甲酸和乙二醇必须分别良好地转化为高价值产物原儿茶酸(pca)和乙醇酸(gla)。

4、首先，作为用于pet的第一化学预处理过程，使用采用乙二醇的糖酵解，并且糖酵解通常使用乙二醇溶剂和金属催化剂。然而，使用金属催化剂可能不仅对环境而且对随后的生物过程具有不利影响。其次，使用水解酶将通过糖酵解分解为低聚物的pet分解为对苯二甲酸和乙二醇。此时产生的对苯二甲酸是降低酶水解条件的ph的二羧酸，结果，酶活性被抑制，这是对产生高浓度产物的障碍。

5、因此，为了解决上述问题，在本发明中，将pet分解为低聚物的化学预处理过程使用乙二醇(eg)作为溶剂、甜菜碱作为环境友好的催化剂，然后，通过选择酶水解中合适的缓冲剂浓度和ph，防止了由于tpa的影响导致的酶水解条件的ph降低。此外，使用其中插入了具有用于将tpa转化为pca的转化相关基因的重组质粒的重组大肠杆菌(e.coli)，并使用具有将eg转化为gla的转化途径的氧化葡萄糖酸杆菌(gluconobacter oxydans)(g.oxydans)kccm 40109。通过使用细菌的这种转化方法诸如全细胞转化，快速获得了高浓度和高产率的产物。此外，所有过程中的底物都原样使用先前过程的产物，因此没有额外的纯化过程。

6、技术方案

7、为了解决上述问题，本发明人使用将pet分解为低聚物的化学预处理过程，并且该过程使用乙二醇(eg)作为溶剂、甜菜碱作为环境友好的催化剂，并且使用pet水解酶(ispetase)和单(2-羟乙基)对苯二甲酸酯(mhet)水解酶(ismhetase)将pet低聚物水解为tpa和eg。之后，使用其中插入了具有用于将tpa转化为pca的转化相关基因的重组质粒的重组大肠杆菌，并使用具有将eg转化为gla的转化途径的氧化葡萄糖酸杆菌kccm 40109。这是使用细菌的转化方法，并且使用全细胞转化快速获得了高浓度和高产率的产物。此外，所有过程中的底物都原样使用先前过程的产物，因此没有额外的纯化过程。

8、pet是一种聚合物，其中成百上千个作为小分子单元的“单体”像链一样缠绕在一起。由于pet难以自然分解，pet被焚烧或掩埋，导致各种环境问题。已经开发了使用酶诸如pet酶将pet解聚成单体的方法，但是这些酶具有长的解聚时间并且引起少量的解聚。当在用酶解聚pet之前使用乙二醇将pet分解成低聚物时，相同量的pet可以分解为更大量的单体。此外，证实了当使用乙二醇将pet糖酵解成低聚物时，可以使用“甜菜碱”作为催化剂。甜菜碱是具有阳离子和阴离子两者的“两性离子”，并且在动物、植物和微生物暴露于环境胁迫诸如渗透压、高温和脱水时制备。已证实甜菜碱使乙二醇能够容易地断裂pet的键合链，有助于低聚物分离。

9、此外，就有效性而言，作为比较当经历或不经历使用乙二醇和甜菜碱将pet形成低聚物的过程时产生的单体的量的结果，证实了通过将pet转化为低聚物的过程产生的单体的量大于当从一开始就使用酶分解pet时产生的单体的量。此外，甜菜碱具有无需每次都使用分离中间副产物的过程的优点，因为当低聚物形成单体时，甜菜碱不影响所用的酶。

10、因此，本发明提供了使用糖酵解作为工艺将pet解聚成低聚物的方法，其中甜菜碱充当催化剂。

11、此外，本发明提供了由pet生产高价值化合物的方法，该方法包括：

12、在存在甜菜碱作为催化剂的情况下通过pet糖酵解来生产双(2-羟乙基)对苯二甲酸酯(bhet)；

13、通过酶水解经由单(2-羟乙基)对苯二甲酸酯(mhet)中间体将所生产的bhet解聚成对苯二甲酸和乙二醇；以及

14、在存在生物催化剂的情况下通过生物转化将对苯二甲酸转化为原儿茶酸，或

15、通过发酵将乙二醇转化为乙醇酸(图1)。

16、在该方法中，将pet解聚成低聚物的糖酵解可以通过使用甜菜碱作为催化剂在乙二醇溶剂中施加微波来进行。具体地，糖酵解可以以1:3至20的摩尔比(pet:eg)使用相对于pet底物的0.1至1重量％(催化剂/pet，w/w比)的甜菜碱在190℃下进行10分钟至2小时。在具体的实施方式中，当糖酵解以1:4的摩尔比(pet:eg)使用相对于pet底物的0.5重量％(催化剂/pet，w/w比)的甜菜碱在190℃下进行1小时时，bhet的产率是最高的。

17、通过pet糖酵解产生的bhet通过pet酶(ispetase)水解成mhet，并且mhet可以通过单(2-羟乙基)对苯二甲酸酯(mhet)水解酶(ismhetase)水解成对苯二甲酸和乙二醇。

18、分别水解pet的低聚物bhet和mhet的ispetase和ismhetase可以是野生型或突变型。野生型ispetase和ismhetase可以分别由seq id no:3和seq id no:4所表示的碱基序列组成。在本发明的示例性实施方案中，使用突变型ispetase和ismhetase作为酶，其中突变型ispetase(ispetasemut)可以由seq id no:1表示的碱基序列组成，并且突变型ismhetase(ismhetasemut)可以由seq id no:2表示的碱基序列组成。

19、可以使用表达对苯二甲酸1,2-双加氧酶和1,2-二羟基-3,5-环己二烯-1,4-二羧酸(dcd)脱氢酶的微生物作为生物催化剂来进行对苯二甲酸至原儿茶酸的生物转化。对苯二甲酸(tpa)1,2-双加氧酶将tpa转化为dcd，而dcd脱氢酶将dcd转化为pca。tpa 1,2-双加氧酶和dcd脱氢酶可以衍生自丛毛单胞菌属(comamonas sp.)e6，并且编码基因的名称分别是tphaabc和tphb。酶可以使用nadh和nadph作为辅因子。根据本发明的一个实施方案，为了从pet水解产物tpa获得pca，表达tphaabc和tphb的微生物可以用作生物催化剂。

20、本文所用的术语“生物催化剂”是指参与对苯二甲酸的生物转化的酶，并且与表达该酶的微生物组合使用。该酶可以通过以包含编码基因的重组载体的形式导入宿主细胞来表达。

21、可以使用乙二醇发酵微生物来进行乙二醇的发酵，该乙二醇发酵微生物包括选自由以下项组成的组的一种或多种：氧化葡萄糖酸杆菌kccm 40109、乙二醇梭菌(clostridium glycolicum)和恶臭假单胞菌(pseudomonas putida)。

22、之后，最终产物原儿茶酸可以通过生物转化而转化为一种或多种选自由以下项组成的组的高价值化合物：没食子酸、焦棓酚、儿茶酚、粘康酸和香草酸。在韩国未审查专利申请号10-2020-0119213a中公开了与其相关的详细的生物转化方法。

23、有利效果

24、根据本发明的技术，提出了一种用于pet升级回收的新型、有效且经济的化学-生物集成方法。在此，使用本发明的方法，在化学和生物过程之间不需要额外的分离和纯化过程，并且最后，平台化学品pca和gla可以由pet以高浓度和高产率生产。