Ultrasəslə intensivləşdirilən enzimatik plastik təkrar emalı
Polietilen tereftalat (PET) əsasən istifadə olunmuş su və içki şüşələrindən yaranan böyük tullantı mənbəyidir. Yaxın vaxtlara qədər PET-in təkrar emalı aşağı keyfiyyətli plastiklərin alınması ilə nəticələnirdi. Yeni mutant ferment PET-in yeni yüksək keyfiyyətli plastiklərin istehsalında istifadə oluna bilən ilkin təmizlikdə xammala parçalanmasını vəd edir. Ultrasəslə fəaliyyəti gücləndirilən fermentlər daha yüksək səmərəlilik göstərir, plastiklərin enzimatik təkrar emalını sürətləndirir və prosesin emal gücünü artırır.
Yüksək güclü ultrasəs PET-in enzimatik təkrar emalını necə intensivləşdirir
- PET substratlarının əlçatan səth sahəsini kəskin şəkildə artıraraq toz formalarının bərk plyonkalara nisbətən biokatalizə əhəmiyyətli dərəcədə daha yaxşı cavab verməsini təmin edir.
- Polimerin kristallığının inhibəedici təsirlərini zəiflədir və aşağı kristallığa malik PET-in daha yüksək sürətlə hidroliz olunmasına imkan verir.
- Hədəflənmiş aktivləşdirmə tətikləyicisi kimi fəaliyyət göstərir; başlanğıcda qısa ultrasəs emalı tereftal turşusu (TA) və MHET kimi monomerlərin ayrılmasını kəskin şəkildə artırır.
- Sərt termiki və ya kimyəvi ilkin emal tələb etmədən fermentlə polimer arasında kütlə ötürülməsini və fazalararası təması yaxşılaşdırır.
- Ultrasəs enerjisini bütün reaksiya boyunca tətbiq etmək əvəzinə qısa aktivləşdirmə mərhələsi ilə məhdudlaşdıraraq ümumi enerji tələbatını azaldır.
Enzimatik reaksiyaların intensivləşdirilməsi üçün sonikator sistemi
Akustik kavitasiya vasitəsilə fiziki maneələrin aradan qaldırılması
Poli(etilen tereftalat) (PET) yüksək molekulyar kütləsi, hidrofobluğu və yarımkristal quruluşu səbəbindən bioloji təkrar emala əhəmiyyətli müqavimət göstərir; bu xüsusiyyətlər təbii olaraq fermentin nüfuz etməsini və katalitik təması məhdudlaşdırır. Ultrasəs şüalandırması akustik kavitasiya yaradaraq bu fiziki məhdudiyyətləri effektiv şəkildə aradan qaldırır. Kavitasiya polimerlə həlledici arasındakı sərhəhdə lokal mikroqarışma, mexaniki kəsilmə qüvvələri və idarə olunan temperatur dəyişmələri yaradır. Bu akustik enerji polimer matrisini şişirdir, sərt kristal sahələri dağıdır və biokatalizatorun bağlanması üçün əlçatan səth sahəsini kəskin şəkildə artırır. Hidrolizdən əvvəl və ya onun ilkin mərhələsində substratın fiziki xüsusiyyətlərini uyğunlaşdırmaqla ultrasəs emalı kristallığın mənfi təsirini neytrallaşdırır və fermentin təsiri üçün daha əlverişli mikromühit yaradır, beləliklə dayanıqlı depolimerləşmə üçün yüksək səmərəli zəmin formalaşdırır.
Kutinaza biokatalizatorlarının sinergetik aktivləşdirilməsi
Yüksək güclü ultrasəsin kutinaza fermentləri, xüsusən Thermobifida cellulosilytica kutinaza 1 (Thc_cut1) ilə birgə tətbiqi fermentin bütövlüyünü qoruyarkən katalitik dövriyyəni maksimuma çatdıran güclü sinergetik əlaqə nümayiş etdirir. Fasiləsiz ultrasəs şüalandırmasını davam etdirmək əvəzinə hidrolizin başlanğıcında qısa, 10 dəqiqəlik aktivləşdirmə mərhələsinin tətbiqi sistemi hazırlayır və TA və MHET kimi parçalanma məhsullarının ayrılmasında diqqətəlayiq 5,2–6,6 dəfə artımla nəticələnir. Akustik enerjinin bu qısa impulsu, ehtimal ki, fermentin hərəkətliliyini artırır, fazalararası islanmanı yaxşılaşdırır və zülalı denaturasiya etmədən katalitik bağlanmaya şərait yaratmaq üçün polimer səthini müvəqqəti dəyişdirir. Yüksək enerji girişini bütün reaksiya müddətindən ayırmaqla ultrasəs emalı ilə kutinazanın sinergiyası biokatalizatorun sabitliyini qoruyaraq və prosesin ümumi enerji istehlakını azaldaraq depolimerləşmənin səmərəliliyini əhəmiyyətli dərəcədə artırır.
Substratın morfologiyası və prosesin miqyasının artırılması
Ultrasəsin köməyi ilə aparılan enzimatik PET təkrar emalının uğuruna substratın həndəsəsi və fiziki forması güclü təsir göstərir; toz substratlar bütöv plyonkalardan davamlı olaraq daha yaxşı nəticə verir. Tədqiqatlar göstərir ki, ultrasəslə aktivləşdirmə PET tozlarında plyonkalarla müqayisədə təxminən üç dəfə daha effektivdir; bunun əsas səbəbi dənəvər morfologiyanın enzimatik hidroliz üçün çox daha böyük və daha əlçatan səth sahəsi təmin etməsidir. Aşağı kristallığa malik tozlar (məsələn, 8%) sürətli və güclü parçalanma göstərdiyi halda, hətta 7% kristallığa malik PET plyonkaları kimi strukturlaşmış substratlarda da ölçülə bilən faydalar müşahidə olunur; məsələn, uzadılmış 72 saatlıq reaksiya müddətləri ərzində TA ayrılması 1,2 dəfə artır. Morfologiyadan bu asılılıqlar ultrasəs parametrlərinin substratın xüsusiyyətlərinə uyğunlaşdırılmasının zəruriliyini vurğulayır və ultrasəs emalının məqsədyönlü tətbiqinin laboratoriya miqyasında enzimatik təkrar emalı miqyası artırıla bilən, sənaye baxımından tətbiqə yararlı plastik tullantıların dəyərli məhsullara çevrilməsi ilə effektiv şəkildə əlaqələndirə bildiyini sübut edir.
Yüksək güclü ultrasəs səmərəli təkrar emal üçün polietilen tereftalatın (PET) depolimerləşməsini yaxşılaşdırır
Enzimatik reaksiyalar üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs prosessorları
Hielscher Ultrasonics laboratoriya və sənayedə yüksək güc tələb edən tətbiqlər üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarının layihələndirilməsi, istehsalı və paylanması sahəsində uzunmüddətli təcrübəyə malikdir. Mürəkkəb ultrasəs emalı üzrə bilik və təcrübəmiz müştərilərimizə təqdim etdiyimiz xidmətlərin bir hissəsidir.
Müştərilərimizə ilkin məsləhətləşmədən mümkünlüyün sınaqdan keçirilməsi və prosesin optimallaşdırılmasına, ultrasəs sisteminizin yekun quraşdırılmasına və istismarına qədər bütün mərhələlərdə dəstək veririk.
Dəqiq idarə oluna bilən ultrasəs cihazlarımız ferment aktivliyinə, kinetikaya, termodinamik xüsusiyyətlərə, eləcə də emal temperaturuna təsir göstərməyə imkan verir.
Güclü və etibarlı ultrasəs prosessorları portfelimiz yığcam, əldə tutulan laboratoriya cihazından masaüstü və tam sənaye prosessorlarına qədər bütün çeşidi əhatə edir. 200 vatt və daha yüksək gücə malik bütün ultrasəs cihazları rəqəmsal sensor ekran, ağıllı proqram təminatı, brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə və inteqrasiya edilmiş SD kartda avtomatik məlumat qeydiyyatı ilə təchiz olunub. Fərdi qaydada tənzimlənən ultrasəs emalı dövrü rejimi (impuls rejimi) fermentin ultrasəs emalına məruz qalmasını (təsir müddətini və fasilələri) təyin etməyə və idarə etməyə imkan verir. Hielscher ultrasəs avadanlığının möhkəmliyi ağır iş rejimində və çətin şəraitdə 24/7 işləməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:
| Partiyanın həcmi | Axın sürəti | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | qrup şəklində birləşdirilmiş UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
Plastiklərin enzimatik təkrar emalı haqqında
Hidrolitik ferment olan yarpaq və budaq kompostu kutinazası (LLC) təbiətdə mövcuddur və polietilen tereftalatın (PET) iki struktur vahidi – tereftalat və etilenqlikol arasındakı rabitələri parçalayır. Lakin fermentin ümumi effektivliyi və istiliyə həssaslığı reaksiyanı məhdudlaşdıran amillərdir və prosesin səmərəliliyini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır. Yarpaq və budaq kompostu kutinazası fermenti 65°C-də parçalanmağa başlayır, PET-in parçalanma prosesləri isə 72°C və ya daha yüksək temperatur tələb edir; PET məhz bu temperaturda əriməyə başlayır. Ərimiş PET proses üçün mühüm amildir, çünki ərinti fermentin təsir göstərə biləcəyi daha böyük səth sahəsi təmin edir.
Tədqiqatçılar təbiətdə mövcud olan yarpaq və budaq kompostu kutinazası fermentini yenidən mühəndislik yolu ilə dəyişdirərək onun bağlanma sahələrindəki amin turşularını dəyişiblər. Bunun nəticəsində PET rabitələrinin parçalanmasında aktivliyi 10.000 dəfə artmış (təbii LLC fermenti ilə müqayisədə) və istiliyə davamlılığı əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmış mutant ferment əldə olunub. Bu o deməkdir ki, yeni mutant ferment PET-in əriməyə başladığı 72°C temperaturda parçalanmır.
Ultrasəslə dispersləşdirmə və səthin aktivləşdirilməsi fermentlərin vasitəçilik etdiyi katalitik reaksiyanı gücləndirir. Ultrasəs amplitudası, müddət, temperatur və təzyiq kimi xüsusi ultrasəs emalı parametrləri fermentin katalitik aktivliyini artırmaq üçün onun növünə dəqiq uyğunlaşdırıla bilər. Ultrasəs emalı parametrləri və onların fermentlərə təsiri fermentin konkret növündən, amin turşusu tərkibindən və konformasiya quruluşundan asılıdır. Buna görə də hər bir ferment növünün optimal aktivləşməyə nail olunan optimal proses şəraiti mövcuddur.
Fermentin və substratın ultrasəslə dispersləşdirilməsi
Ultrasəslə yaradılan kəsilmə və mikroturbulentlik dispersləşdirmə tətbiqlərində yüksək səmərəliliyi ilə yaxşı tanınır. Ferment aqreqatlarının, eləcə də substrat aqlomeratlarının ultrasəs vasitəsilə dispersləşdirilməsi enzimatik katalitik aktivliyi artırır, çünki molekulyar aqreqatların və aqlomeratların parçalanması fermentlərlə substrat arasında reaksiya üçün aktiv səth sahəsini artırır.
Ultrasəslə fəaliyyəti gücləndirilən kutinaza fermenti
Ultrasəs emalı utinase Thc_Cut1 fermentinin PET hidrolizi aktivliyi baxımından aktivləşdirilməsində yaxşı nəticələr göstərib. PET-in ultrasəslə gücləndirilən enzimatik parçalanması emal olunmamış PET-lə müqayisədə ayrılan parçalanma məhsullarının miqdarının 6,6 dəfə artması ilə nəticələnib. PET tozu və plyonkalarında kristallıq faizinin artması (28%) daha aşağı hidroliz çıxımlarına səbəb olub; bu, səthin əlçatanlığının azalması ilə əlaqəli ola bilər. (bax: Nikolaivits et al. 2018)
Masaüstü sonikator UIP1500hdT təkrar emal məqsədilə PET-in depolimerləşməsi üçün axın hüceyrəsi ilə təchiz olunmuşdur
Ultrasəslə intensivləşdirilən enzimatik PET depolimerləşməsi haqqında tez-tez verilən suallar
Ultrasəs PET-in enzimatik təkrar emalını necə yaxşılaşdırır?
Ultrasəs reaksiya zamanı parçalanma məhsullarının ayrılmasını əhəmiyyətli dərəcədə artıraraq poli(etilen tereftalatın) (PET) enzimatik hidrolizini gücləndirir. Ultrasəs enerjisi ilə qısa aktivləşdirmə mərhələsinin tətbiqi ənənəvi enzimatik üsullarla müqayisədə monomer çıxımının əhəmiyyətli dərəcədə artmasına səbəb ola bilər.
PET-in kristallığı ultrasəslə gücləndirilən hidrolizin səmərəliliyinə necə təsir edir?
PET-in kristallığı enzimatik hidrolizdə mənfi rol oynayır; daha aşağı kristallığa malik substratlar çox daha sürətlə parçalanır. Məsələn, ultrasəslə aktivləşdirmə tətbiq edildikdə 8% kristallığa malik PET tozu 28% kristallığa malik PET-dən əhəmiyyətli dərəcədə daha sürətlə hidroliz olunub.
PET substratının fiziki forması (toz və ya plyonka) ultrasəsin effektivliyinə təsir edirmi?
Bəli, substratın fiziki forması nəticələrə əhəmiyyətli dərəcədə təsir edir. Ultrasəslə aktivləşdirmə PET tozlarında plyonkalara nisbətən təxminən üç dəfə daha effektivdir. Bu fərq əsasən bütöv plyonkalarla müqayisədə toz substratlarda fermentin təsiri üçün daha böyük səth sahəsinin əlçatan olması ilə izah olunur.
Ultrasəsin köməyi ilə PET-in parçalanmasında adətən hansı ferment istifadə olunur?
Thermobifida cellulosilytica kutinaza 1 (Thc_cut1) fermenti ultrasəslə aktivləşdirilən PET hidrolizi proseslərində geniş istifadə olunur. Reaksiya ultrasəs enerjisinin qısa impulsu ilə başladıldıqda bu biokatalizator daha yüksək aktivlik nümayiş etdirir.
Ultrasəs emalı PET-in digər depolimerləşmə yollarını da gücləndirirmi?
Bəli, yüksək güclü ultrasəs qələvi, turş və ya neytral hidrolizi; etilenqlikolla qlikolizi; metanolizi; katalitik solvolizi; eləcə də PET-in enzimatik hidrolizini gücləndirir.
Ultrasəs emalının PET-in qələvi hidrolizini necə intensivləşdirdiyini öyrənin!
Akustik kavitasiya nədir?
Aşağı tezlikli, yüksək intensivlikli ultrasəs emalı (təxminən 20–50kHz) fiziki, mexaniki və kimyəvi təsirlər yaradan akustik / ultrasəs kavitasiyasına səbəb olur. Akustik kavitasiyanın təsirləri mayeyə ötürülən ultrasəs dalğalarının təzyiq dəyişmələri səbəbindən yaranan kiçik vakuum qabarcıqlarının əmələ gəlməsi, böyüməsi və sonradan şiddətlə çökməsi şəklində müşahidə oluna bilər. Kavitasiya qabarcıqlarının daxilə çökməsi zamanı kiçik məkanla və qısa müddətlə məhdudlaşan, isti nöqtələr adlandırılan sahələr yaranır. Bu lokal isti nöqtələr ən azı 5000 K-yə qədər intensiv qızma, 1200 bar-a qədər təzyiqlər və millisaniyələr ərzində yaranan böyük temperatur və təzyiq fərqləri ilə səciyyələnir. Mayenin damcıları və hissəcikləri 208m/s-ə qədər sürətlərlə maye şırnaqlarına çevrilərək sürətləndirilir.
Fermentlərin ultrasəs emalı akustik kavitasiyaya və onun hidrodinamik kəsilmə qüvvələrinə əsaslanır
Ədəbiyyat / İstinadlar
- Alessandro Pellis, Caroline Gamerith, Gagik Ghazaryan, Andreas Ortner, Enrique Herrero Acero, Georg M. Guebitz (2016): Ultrasound-enhanced enzymatic hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Bioresource Technology, Volume 218, 2016. 1298-1302.
- Nutan Rajesh Paliwal, Arvind Kumar Mungray (2013): Ultrasound assisted alkaline hydrolysis of poly(ethylene terephthalate) in presence of phase transfer catalyst. Polymer Degradation and Stability, Volume 98, Issue 10, 2013. 2094-2101.
- V. Tournier, C. M. Topham, A. Gilles, B. David, C. Folgoas, E. Moya-Leclair, E. Kamionka, M.-L. Desrousseaux, H. Texier, S. Gavalda, M. Cot, E. Guémard, M. Dalibey, J. Nomme, G. Cioci, S. Barbe, M. Chateau, I. André, S. Duquesne, A. Marty (2020): An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580(7802): 216-219.
- Bhogle, C. S.; and Pandit, A. B. (2018): Ultrasound-Assisted Alkaline Hydrolysis of Waste Poly(Ethylene Terephthalate) in Aqueous and Non-aqueous Media at Low Temperature. Indian Chemical Engineer, 60(2), 2018. 122–140.
- Meliza Lindsay Rojas; Júlia Hellmeister Trevilin; Pedro Esteves Duarte Augusto (2016): The ultrasound technology for modifying enzyme activity. Scientia Agropecuaria 7 /2, 2016. 145–150.