Sau máy nghiền nhựa có thể là một “hệ tiêu hóa” enzyme: Hai catalyst sinh học xử lý PET, PBAT và TPU trong cùng reactor

Máy nghiền giải quyết một vấn đề rất cơ học: biến chai, màng và mảnh nhựa thành những hạt nhỏ hơn. Nó không giải quyết câu hỏi khó hơn nằm ở cấp phân tử: làm thế nào tách một đống polymer khác nhau thành các nguyên liệu hóa học đủ sạch để dùng lại.

Một hướng nghiên cứu đang thử xử lý bước đó giống một hệ tiêu hóa hơn là một máy nghiền. Thay vì buộc một chất xúc tác phải phá mọi loại plastic, các enzyme khác nhau được đưa vào theo từng giai đoạn, mỗi enzyme nhắm tới những liên kết hóa học mà nó xử lý tốt nhất. Trong một thí nghiệm do nhóm tại University of Greifswald cùng Leibniz Institute for Surface Engineering, Nanjing Tech University và AB Enzymes thực hiện, hai enzyme đã được dùng nối tiếp trong cùng reactor để phân rã hỗn hợp PET, PBAT và thermoplastic polyurethane (TPU).

Kết quả tốt nhất đạt tổng lượng monomer khoảng 39,8% sau 96 giờ, gần khớp với mức giảm khối lượng 40,9% của vật liệu. Nhưng con số này cần một dấu hoa thị lớn: hỗn hợp polymer đạt hiệu suất đó đã được hòa tan rồi kết tủa lại bằng dung môi HFIP để giảm độ kết tinh và làm enzyme dễ tiếp cận hơn. Với ba loại plastic chưa qua bước tiền xử lý này, tổng monomer yield chỉ khoảng 14,8%.

Đó là khoảng cách giữa một proof of concept thú vị và một “dạ dày công nghiệp” thực sự có thể nhận rác nhựa ngoài đời.

“Mỗi enzyme ăn một loại nhựa” là cách nói dễ hình dung, nhưng chưa hoàn toàn đúng

Enzyme không đọc nhãn PET, TPU hay PBAT. Chúng nhận biết cấu trúc phân tử và loại liên kết hóa học quanh vùng hoạt động của mình. Vì vậy một enzyme có thể tác động lên nhiều polymer nếu các polymer đó chứa những liên kết mà nó có khả năng thủy phân.

Trong nghiên cứu đăng trên ChemSusChem, enzyme đầu tiên là PES-H1 FY, một polyester hydrolase đã được engineering. Nó được dùng để cắt các liên kết ester trong PET, PBAT và phần polyester của TPU. Enzyme thứ hai, UMG-SP-2, là một (poly)urethanase được đưa vào sau để tấn công liên kết urethane trong TPU.

Điểm đáng chú ý không phải là mỗi plastic có đúng một enzyme tương ứng, mà là có thể chia một hỗn hợp polymer thành các “nhiệm vụ hóa học” khác nhau rồi giao từng nhiệm vụ cho catalyst sinh học phù hợp. Đây gần với cách hệ tiêu hóa thật hoạt động hơn: carbohydrate, protein và lipid không được xử lý bởi một enzyme duy nhất.

Một reactor, nhưng hai “ca làm việc” khác nhau

Hai enzyme trong nghiên cứu không thể đơn giản được đổ vào cùng lúc rồi để mặc chúng hoạt động. Chúng thích những điều kiện khác nhau.

PES-H1 FY có độ bền nhiệt cao hơn và giai đoạn cắt polyester được chạy ở 60°C. UMG-SP-2 lại kém ổn định ở nhiệt độ cao; paper cho biết enzyme này mất hơn một nửa hoạt tính trong 12 giờ ở 40°C. Vì vậy nhóm thiết kế phản ứng nối tiếp: đầu tiên cho PES-H1 FY làm việc ở 60°C, sau đó hạ reactor xuống 30°C rồi mới thêm UMG-SP-2.

Ở thí nghiệm scale-up của nhóm, 1 gram polymer được cho vào 20 mL dung dịch phản ứng. Với mẫu polymer blend đã qua dissolution–precipitation, PES-H1 FY hoạt động 72 giờ ở 60°C; sau đó nhiệt độ hạ xuống 30°C và UMG-SP-2 làm việc thêm 24 giờ. Tổng thời gian là 96 giờ.

Một enzyme thứ ba, PestE, ban đầu cũng được thử để xử lý các chất trung gian ester khối lượng phân tử thấp. Nhưng sau tối ưu, nhóm nhận thấy việc bổ sung PestE không vượt được hiệu suất của lượng PES-H1 FY cao hơn, nên nó bị loại khỏi quy trình cuối. Chi tiết này cho thấy “cocktail càng nhiều enzyme càng tốt” không phải nguyên tắc đúng. Mỗi thành phần thêm vào phải tạo ra lợi ích đủ lớn để bù chi phí sản xuất, ổn định và điều khiển phản ứng.

40% chỉ xuất hiện sau khi plastic được làm dễ tiêu hóa hơn

Đây là phần quan trọng nhất để đọc kết quả mà không phóng đại.

Nhóm hòa tan PET, PBAT và TPU với lượng bằng nhau trong hexafluoro-2-propanol (HFIP), sau đó kết tủa hỗn hợp vào nước lạnh. Quá trình này tạo một blend có độ kết tinh thấp hơn và diện tích tiếp xúc thuận lợi hơn cho enzyme. Các mảnh sau đó còn được cắt nhỏ trước khi đưa vào reactor.

Với vật liệu đã được chuẩn bị như vậy, mức giảm khối lượng sau phản ứng là 40,9 ± 2,5%, còn tổng monomer yield được ước tính 39,83 ± 4,42%. Riêng các sản phẩm được theo dõi có hiệu suất rất khác nhau: adipic acid từ PBAT đạt khoảng 52%, terephthalic acid khoảng 42%, trong khi một số monomer liên quan đến TPU thấp hơn nhiều.

Khi nhóm chạy một thí nghiệm tham chiếu với PET, PBAT và TPU chưa qua bước hòa tan–kết tủa, hiệu quả giảm mạnh. Tổng weight loss chỉ khoảng 12,7%, còn tổng monomer yield khoảng 14,8%. PET là thành phần được xử lý tốt nhất; PBAT và đặc biệt TPU gần như vẫn rất khó phân rã ở trạng thái ban đầu.

Nói cách khác, nghiên cứu chưa chứng minh rằng có thể đổ một bao rác nhựa hỗn hợp vào bồn enzyme rồi thu monomer ở đầu bên kia. Nó chứng minh một ý hẹp hơn nhưng quan trọng: nhiều enzyme có thể được phối hợp trong cùng một workflow để xử lý nhiều loại liên kết polymer mà không cần tách từng polymer thành một dây chuyền hoàn toàn riêng.

Tại sao ý tưởng này hấp dẫn hơn việc chỉ nghiền và nấu chảy?

Tái chế cơ học hoạt động tốt nhất khi dòng nguyên liệu tương đối sạch và đồng nhất. Plastic được phân loại, rửa, nghiền, nung chảy rồi tạo hạt lại. Nhưng polymer bị lão hóa, oxy hóa và ngắn mạch qua các chu kỳ; chất phụ gia và polymer khác lẫn vào có thể làm vật liệu tái chế giảm chất lượng.

Đó là lý do các sản phẩm nhiều lớp, sợi dệt pha, bao bì composite hoặc linh kiện có nhiều loại polymer thường trở thành bài toán khó. Không phải mọi thành phần đều nóng chảy ở cùng nhiệt độ, tương thích với nhau hoặc có thể tách bằng phương pháp cơ học với chi phí hợp lý.

Enzymatic depolymerization đi theo hướng khác. Thay vì cố giữ nguyên chuỗi polymer để nấu chảy lần nữa, enzyme cắt nó xuống các monomer hoặc phân tử nhỏ hơn. Nếu những sản phẩm này được tách và làm sạch đủ tốt, về nguyên tắc chúng có thể trở thành feedstock cho polymer mới thay vì tạo một vật liệu tái chế chất lượng thấp hơn.

Đặc tính chọn lọc của enzyme cũng có một lợi thế khác: trong một vật liệu hỗn hợp, catalyst có thể nhắm vào một số liên kết nhất định và để các thành phần khác tương đối nguyên vẹn. Một bài review trên Nature Reviews Materials năm 2026 xem selective depolymerization là một trong những hướng đáng chú ý để xử lý complex plastic waste — nhưng đồng thời nhấn mạnh rằng độ phức tạp, tạp chất, độ tin cậy vận hành và khả năng scale vẫn là các rào cản lớn.

“Thư viện enzyme” đang mở rộng sang polyurethane và nylon

PET hiện là polymer có hệ enzyme phân rã trưởng thành nhất trong nhóm plastic thông dụng có liên kết dễ thủy phân. Với polyurethane và polyamide, khoảng trống vẫn lớn hơn.

Một nghiên cứu khác công bố trên Angewandte Chemie tháng 6/2026 cho thấy nhóm tại Aarhus University đã đi tìm enzyme trực tiếp trong các môi trường chứa rác plastic cũ. Họ xác định 29 vi khuẩn có khả năng phân rã plastic và từ đó tìm được 12 enzyme bằng mass spectrometry kết hợp tìm kiếm homolog. Một số enzyme mới có độ bền nhiệt và hoạt tính tốt hơn các wild-type enzyme trước đó trên polyurethane khối lượng phân tử cao và textile nylon.

Kết quả này chưa tạo ra một dây chuyền xử lý PUR hay nylon ở quy mô công nghiệp. Nhưng nó minh họa một phần rất thực tế của ý tưởng “hệ tiêu hóa”: trước khi xây reactor nhiều enzyme, ngành này cần một thư viện catalyst đủ rộng cho các loại liên kết polymer khác nhau, đồng thời phải engineering chúng để hoạt động ở những điều kiện tương thích.

Khó nhất có thể không phải tìm thêm enzyme, mà là làm chúng sống chung trong một quy trình

Một reactor công nghiệp không chỉ cần enzyme có hoạt tính cao. Các enzyme phải chịu được nhiệt độ, pH, chất hoạt động bề mặt, dung môi, phụ gia và các sản phẩm phản ứng đủ lâu. Nếu enzyme A cần 70°C nhưng enzyme B chết ở 40°C, quy trình phải thêm bước làm nguội, gia nhiệt hoặc tách stage — kéo theo thời gian và năng lượng.

Tiền xử lý cũng là vấn đề kinh tế lớn. Trong nghiên cứu PET–PBAT–TPU, HFIP giúp giảm độ kết tinh và tăng mạnh khả năng enzyme tiếp cận polymer, nhưng một quy trình thương mại sẽ phải chứng minh rằng dung môi có thể được thu hồi an toàn, hiệu quả và với chi phí hợp lý, hoặc tìm một tiền xử lý khác dễ scale hơn.

Sau phản ứng còn một bài toán nữa: hỗn hợp monomer phải được tách. Việc enzyme chọn lọc giúp ích, nhưng “plastic biến mất” không đồng nghĩa feedstock mới đã sẵn sàng. Terephthalic acid, adipic acid, diamine và các sản phẩm khác vẫn cần được thu hồi, tinh sạch và đưa trở lại chuỗi hóa học phù hợp.

Vì vậy hình ảnh “hệ tiêu hóa công nghiệp” hữu ích nhất khi hiểu nó như một kiến trúc tương lai, không phải một cỗ máy đã hoàn thiện: tiền xử lý làm vật liệu dễ tiếp cận, enzyme chuyên biệt cắt từng nhóm liên kết, các bước tách thu monomer, rồi hóa học hoặc vi sinh vật biến chúng thành vật liệu mới.

Máy nghiền có lẽ vẫn nằm ở đầu dây chuyền, bởi diện tích bề mặt vẫn quan trọng. Điều có thể thay đổi là phần xảy ra sau đó: thay vì tất cả nhựa đều đi qua cùng một chu trình nhiệt và cơ học, một số dòng rác khó có thể được đưa qua chuỗi phản ứng sinh học được thiết kế giống một quá trình tiêu hóa có kiểm soát. Thách thức tiếp theo không còn là chứng minh enzyme có thể “ăn nhựa”, mà là chứng minh cả hệ có thể xử lý kilogram rồi tonne vật liệu thật với tốc độ, chi phí và độ sạch đủ để cạnh tranh với những công nghệ đang tồn tại.

Nguồn: ChemSusChem — One-Pot Depolymerization of Mixed Plastics Using a Dual Enzyme System; Angewandte Chemie — Environmental Identification of Novel Enzymes for Polyurethane and Polyamide Degradation; Nature Reviews Materials — Towards selective recycling technologies for complex plastic waste.