Рециклиране на пластмаса чрез ензимна реакция, ускорена с ултразвук

Полиетилен терефталат (PET) е огромен източник на отпадъци, идващ предимно от използвани бутилки за вода и напитки. Доскоро рециклирането на PET водеше до нискокачествени пластмаси. Нов мутантен ензим обещава разграждането на PET до девствена суровина, която може да се използва за нови висококачествени пластмаси. Ултразвуково насърчаваните ензими показват по-висока ефективност, ускорявайки ензимното рециклиране на пластмаси и увеличавайки капацитета на процеса.

Как мощният ултразвук усилва ензимното рециклиране на ПЕТ

• Значително увеличава достъпната повърхност на ПЕТ субстратите, което прави прахообразните форми значително по-чувствителни към биокатализа в сравнение с твърдите филми.
• Намалява инхибиторното въздействие на кристалността на полимера, което позволява на PET с ниска кристалност да се хидролизира с ускорени темпове.
• Действа като тригер за целенасочена активация, при която кратка първоначална ултразвукова обработка значително ускорява освобождаването на мономери като терефталова киселина (TA) и MHET.
• Подобрява масообмена и междуфазовия контакт между ензима и полимера, без да се налагат агресивни термични или химически предварителни обработки.
• Намалява общото енергийно потребление, като ограничава ултразвуковата енергия до кратка фаза на активиране, вместо да се прилага при условия на непрекъсната реакция.

Преодоляване на физическите бариери чрез акустична кавитация

Поли(етилен терефталатът) (PET) проявява значителна устойчивост към биологично рециклиране поради своето високо молекулно тегло, хидрофобност и полукристална структура, които по естествен начин ограничават проникването на ензимите и каталитичния контакт. Ултразвуковото облъчване ефективно преодолява тези физически ограничения чрез генериране на акустична кавитация, която предизвиква локализирано микросмесване, механични срязващи сили и контролирани термични колебания на границата между полимера и разтворителя. Тази акустична енергия набъбва полимерната матрица, разрушава твърдите кристални домени и драстично увеличава наличната повърхност за прикрепване на биокатализатора. Чрез физическо подготовка на субстрата преди или по време на ранния етап на хидролизата, ултразвуковото облъчване неутрализира отрицателното въздействие на кристалността и създава по-благоприятна микросреда за ензимна атака, като по този начин се създава високоефективна основа за устойчива деполимеризация.

Синергична активация на биокатализаторите кутиназа

Интегрирането на мощния ултразвук с кутиназни ензими, по-специално Thermobifida cellulosilytica кутиназа 1 (Thc_cut1), демонстрира мощна синергична връзка, която максимизира каталитичния обмен, като същевременно запазва целостта на ензима. Вместо да се поддържа непрекъснато ултразвуково облъчване, прилагането на кратка 10-минутна фаза на активиране в началото на хидролизата подготвя системата, което води до забележително 5,2- до 6,6-кратно увеличение на освобождаването на продукти на разграждане като TA и MHET. Този кратък импулс от акустична енергия вероятно подобрява мобилността на ензима, усилва смачкването на границата между фазите и временно модифицира повърхността на полимера, за да благоприятства каталитичното свързване, без да денатурира протеина. Чрез отделяне на високоенергийния приток от цялостния ход на реакцията синергията между ултразвуковото облъчване и кутиназата осигурява значително повишаване на ефективността на деполимеризацията, като същевременно поддържа стабилността на биокатализатора и намалява общото енергийно потребление на процеса.

Морфология на субстрата и мащабируемост на процеса

Успехът на ензимното рециклиране на PET с помощта на ултразвук се влияе в голяма степен от геометрията и физическата форма на субстрата, като прахообразните субстрати последователно постигат по-добри резултати в сравнение с непрекъснатите фолиа. Проучванията показват, че ултразвуковата активация е приблизително три пъти по-ефективна при PET прахове в сравнение с фолиата, главно защото гранулираната морфология осигурява значително по-голяма и по-достъпна повърхност за ензимна хидролиза. Докато праховете с ниска кристалност (например 8%) показват бързо и стабилно разграждане, дори структурирани субстрати като 7% кристални PET фолиа демонстрират измерими ползи, като например 1,2-кратно подобрение в освобождаването на TA през удължени 72-часови реакционни периоди. Тези морфологични зависимости подчертават необходимостта от адаптиране на ултразвуковите параметри към характеристиките на субстрата, доказвайки, че стратегическото ултразвуково третиране може ефективно да свърже ензимното рециклиране в лабораторен мащаб с мащабируемо и промишлено осъществимо оползотворяване на пластмасови отпадъци.

Високопроизводителни ултразвукови процесори за ензимни реакции

Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит в проектирането, производството и разпространението на високоефективни ултразвукови апарати за енергийни приложения в лабораториите и индустрията. Нашите знания и опит в сложната ултразвукова обработка са част от предложението, което предоставяме на нашите клиенти.
Ние насочваме нашите клиенти от първата консултация за тестване на осъществимостта и оптимизация на процеса до окончателното инсталиране и експлоатация на вашата ултразвукова система.
Нашите прецизно управляеми ултразвукови устройства позволяват да се влияе на ензимната активност, кинетиката, термодинамичните свойства, както и температурата на обработка.
Нашето портфолио от мощни и надеждни ултразвукови процесори покрива пълната гама от компактни ръчни лабораторни устройства до настолни и напълно индустриални процесори. От 200 вата нагоре, всички ултразвукови устройства са оборудвани с цифров сензорен дисплей, интелигентен софтуер, дистанционно управление на браузъра и автоматично протоколиране на данни на вградена SD-карта. Индивидуално регулируемият режим на ултразвуков цикъл (импулсен режим) позволява да се задава и контролира ензимното излагане (време и периоди на почивка) на ултразвуковото лечение. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:

Относно ензимното рециклиране на пластмаса

Хидролизният ензим листно-клонен компост кутиназа (LLC) се среща в природата и разрязва връзките между двата градивни елемента на полиетилен терефталат (PET), терефталат и етилен гликол. Въпреки това, цялостната ефективност на ензима и неговата чувствителност към топлина са ограничаващи реакциите фактори, които значително намаляват ефективността на процеса. Ензимът компост от кутиназа на листната клонка започва да се разгражда при 65°C, докато процесите на разграждане на PET изискват температури от 72°C или по-високи, температурата, при която PET започва да се топи. Разтопеният PET е важен процесен фактор, тъй като стопилката предлага по-голяма повърхност, върху която ензимът може да работи.
Изследователите са преработили естествено срещащия се ензим компост кутиназа от листни клони и са променили аминокиселините в местата му на свързване. Това води до мутантен ензим, който показва повишена активност 10 000 пъти при разрушаване на PET връзките (в сравнение с естествения ензим LLC) и значително подобрена топлинна стабилност. Това означава, че новият мутантен ензим не се разгражда при 72°C, температурата, при която PET започва да се топи.
Ултразвуковото диспергиране и повърхностното активиране насърчават ензимно задвижваната каталитична реакция. Специфични параметри на ултразвука като ултразвукова амплитуда, време, температура и налягане могат да бъдат точно настроени към типа ензим, за да се увеличи неговата каталитична активност. Параметрите на ултразвуковата обработка и тяхното въздействие върху ензимите зависят от конкретния тип ензим, неговия аминокиселинен състав и конформационната структура. По този начин всеки тип ензим има оптимални технологични условия, при които се постига оптимална ензимна активация.

Ултразвукова дисперсия на ензим и субстрат

Ултразвуково генерираните срязвания и микротурбуленции са добре известни с високата си ефективност, когато става въпрос за диспергиращи приложения. Ултразвуково индуцираната дисперсия на ензимни агрегати, както и на субстратни агломерати, подобрява ензимната каталитична активност, тъй като разграждането на молекулярни агрегати и агломерати увеличава активната повърхност между ензимите и субстрата за реакция.

Ултразвуково насърчаван ензим кутиназа

Соникацията показва добри резултати в активирането на ензима utinase Thc_Cut1 по отношение на неговата PET хидролизна активност. Ултразвуково подобреното ензимно разграждане на PET води до 6,6-кратно увеличение на освободените продукти на разграждане в сравнение с нетретирания PET. Увеличаването на кристалния процент (28%) в PET праха и филмите води до по-ниски добиви на хидролиза, което може да бъде свързано с понижената повърхностна наличност. (срв. Nikolaivits et al. 2018)