Foam polyurethane trong giày rất khó phân hủy: Enzyme từ vi khuẩn compost được chỉnh để “ăn” vật liệu thật
Một enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn Chelatococcus composti trong compost được nhóm nghiên cứu tại Aarhus và Porto thiết kế lại để bám polyurethane tốt hơn. Biến thể tốt nhất tăng mạnh hiệu quả xúc tác và có thể phân hủy trực tiếp foam polyurethane nhiệt rắn lấy từ đế giày thương mại — nhưng mới đạt khoảng 1,4% sau ba ngày.
Polyurethane nhiệt rắn trong đế và lớp foam của nhiều loại giày được tạo ra để chịu nén, giữ hình dạng và tồn tại lâu. Chính mạng polymer liên kết chéo giúp vật liệu bền cũng khiến nó rất khó tái chế: không thể đơn giản nung chảy rồi đúc lại như nhiều nhựa nhiệt dẻo.
Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Aarhus ở Đan Mạch và Đại học Porto ở Bồ Đào Nha vừa thử một hướng khác. Thay vì dùng nhiệt độ cao hoặc xử lý hóa học trước, họ thiết kế lại một enzyme có nguồn gốc từ vi khuẩn Chelatococcus composti được tìm thấy trong mẫu compost ở Đan Mạch. Biến thể enzyme tốt nhất có thể tấn công trực tiếp foam polyurethane nhiệt rắn lấy từ đế giày thương mại và chuyển hóa khoảng 1,4% vật liệu sau ba ngày.
Con số 1,4% còn rất xa một quy trình tái chế công nghiệp. Điểm đáng chú ý nằm ở chỗ vật liệu giày được thử gần như ở trạng thái nguyên bản, không phải một polymer mô hình đã được nghiền nhỏ hay xử lý hóa học để enzyme dễ tiếp cận hơn. Nghiên cứu được công bố ngày 11/9/2026 trên Chem Catalysis.
Vì sao foam polyurethane là mục tiêu khó?
Polyurethane, thường viết tắt là PUR hoặc PU, không phải một loại nhựa duy nhất mà là một họ vật liệu được tạo từ polyol và diisocyanate. Cách lựa chọn hai thành phần này, cùng mức độ liên kết chéo trong polymer, cho phép nhà sản xuất tạo ra từ foam mềm trong nệm đến lớp cách nhiệt, keo, lớp phủ và vật liệu đàn hồi trong giày.
Với polyurethane nhiệt rắn, mạng liên kết hóa học được khóa lại trong quá trình đóng rắn. Cấu trúc đó giúp vật liệu ổn định khi sử dụng nhưng gây khó cho tái chế cơ học vì nó không nóng chảy trở lại thành dòng vật liệu có thể tái tạo hình. Các phương pháp hóa học như glycolysis có thể cắt polymer để thu hồi một phần nguyên liệu, song thường cần nhiệt, hóa chất và quy trình tách sản phẩm sau phản ứng.
Theo bài báo, sản lượng polyurethane toàn cầu vào năm 2022 vào khoảng 22 triệu tấn, tương đương hơn 5% lượng nhựa được sản xuất hàng năm. Vì vậy, tìm được enzyme có thể làm việc trực tiếp trên polyurethane đặc và liên kết chéo là một bài toán khó nhưng có ý nghĩa thực tế.
Từ vi khuẩn trong compost đến enzyme CCPUR1
Enzyme mà nhóm lựa chọn có tên CCPUR1. Nó đến từ Chelatococcus composti, một vi khuẩn được phân lập từ compost có chứa polyurethane. Trong các nghiên cứu trước đó của nhóm, CCPUR1 nổi bật nhờ độ bền nhiệt và khả năng thủy phân nhiều chất nền liên quan tới polyurethane và nylon.
Nhưng enzyme tự nhiên vẫn chưa đủ mạnh để trở thành một “máy tái chế”. Vấn đề chủ yếu là khả năng nhận biết, bám và giữ chuỗi polymer đúng vị trí trong vùng hoạt động của enzyme. Nếu chất nền chỉ tiếp xúc lỏng lẻo, phản ứng cắt liên kết diễn ra chậm ngay cả khi bản thân enzyme có cơ chế hóa học phù hợp.
Nhóm nghiên cứu vì thế giải cấu trúc tinh thể của CCPUR1 ở độ phân giải 1,65 angstrom, sau đó dùng mô phỏng động lực học phân tử để theo dõi cách các mảnh polyurethane tương tác với bề mặt enzyme theo thời gian. Mục tiêu là tìm những vị trí amino acid có thể sửa để chất nền nằm sâu và ổn định hơn trong rãnh hoạt động.
Hai thay đổi nhỏ giúp enzyme giữ polyurethane chặt hơn
Từ mô phỏng, các nhà nghiên cứu chọn bảy vị trí trong enzyme và tạo tổng cộng 29 biến thể. Một số amino acid được thay bằng các nhóm lớn và kỵ nước hơn nhằm lấp khoảng trống giữa protein và vật liệu polymer.
Biến thể nổi bật nhất mang hai thay đổi N308F và V312F. Cả hai vị trí được thay bằng phenylalanine, một amino acid có vòng thơm tương đối lớn. Mô phỏng cho thấy các vòng này tăng tương tác kỵ nước và tương tác π–π với những phần thơm của chất nền polyurethane, giúp chuỗi polymer nằm sâu hơn trong vùng hoạt động.
Kết quả là biến thể kép đạt hiệu quả xúc tác cao hơn tới khoảng 20 lần so với enzyme ban đầu trên một chất nền mô phỏng polyurethane polyether. Trong một số phép đo thủy phân khác, nhóm cũng ghi nhận mức tăng hoạt tính khoảng năm lần mà vẫn duy trì hoặc cải thiện độ bền nhiệt của enzyme.
Quan trọng hơn, nhóm không dừng ở chất nền mô hình. Họ cắt foam từ đế giày thương mại và cho tiếp xúc trực tiếp với enzyme. Sau 72 giờ, biến thể N308F:V312F đạt mức chuyển hóa tối đa khoảng 1,4%. Phân tích cho thấy bề mặt vật liệu bị xói mòn và xuất hiện các sản phẩm phân hủy có nguồn gốc từ monomer polyurethane.
1,4% không phải là “đôi giày tự phân hủy”
Nếu chỉ nhìn vào tỷ lệ chuyển hóa, 1,4% sau ba ngày là thấp. Một nhà máy tái chế cần tốc độ và mức chuyển hóa cao hơn rất nhiều, đồng thời phải xử lý được vật liệu không đồng nhất, phụ gia, thuốc nhuộm, keo và các lớp polymer khác nhau trong một sản phẩm thật.
Giá trị của thí nghiệm nằm ở việc enzyme đã tác động được lên polyurethane nhiệt rắn thương mại mà không cần bước tiền xử lý hóa học để biến polymer thành các oligomer nhỏ, dễ tan hơn. Bài báo cũng cho biết biến thể này vượt hai enzyme tham chiếu ABPURase và UMG-SP2 trong thử nghiệm trên foam giày.
Điều đó không đồng nghĩa ngành giày sắp có một quy trình tái chế enzyme hoàn chỉnh. Nhóm tác giả tự mô tả đây là nền tảng để tiếp tục tối ưu, không phải một giải pháp đã trưởng thành. Hiện lĩnh vực này thậm chí chưa có bộ chuẩn kinh tế-kỹ thuật thống nhất để xác định một enzyme phân hủy polyurethane cần nhanh, bền và rẻ đến mức nào mới có thể cạnh tranh với các công nghệ hóa học.
Bước tiếp theo là làm enzyme nhanh hơn — và chứng minh vòng tái chế khép kín
Có ít nhất bốn câu hỏi phải được giải quyết trước khi công nghệ kiểu này tiến gần công nghiệp: enzyme có thể tăng tốc độ phân hủy thêm bao nhiêu; có chịu được hỗn hợp phụ gia và chất bẩn trong rác thải thật hay không; có thể tái sử dụng enzyme để giảm chi phí hay không; và các sản phẩm sau thủy phân có đủ sạch để quay lại tổng hợp polyurethane mới hay không.
Nhóm nghiên cứu cho rằng cách kết hợp cấu trúc tinh thể, mô phỏng động lực học phân tử và thử nghiệm biến thể có thể rút ngắn vòng lặp thiết kế enzyme. Thay vì thử ngẫu nhiên hàng nghìn đột biến, họ tập trung vào các vị trí mà mô phỏng cho thấy có ảnh hưởng trực tiếp đến việc giữ polymer trong vùng hoạt động.
Đây cũng là ranh giới quan trọng giữa một kết quả phòng lab và một quy trình tái chế. Nghiên cứu đã chứng minh enzyme có thể bắt đầu cắt một loại foam polyurethane thương mại vốn rất khó xử lý, nhưng phần lớn vật liệu vẫn còn nguyên sau ba ngày. Thành công tiếp theo sẽ không phải là chứng minh enzyme có thể “cắn” polyurethane nữa, mà là đưa mức 1,4% lên một mức chuyển hóa và tốc độ đủ lớn để việc thu hồi monomer thực sự có ý nghĩa.
Nguồn: Chem Catalysis; Universidade do Porto; Cell Press/EurekAlert.
