Ензимно рециклиране на пластмаси, интензифицирано с ултразвук

Полиетилентерефталатът (PET) е огромен източник на отпадъци, произхождащи предимно от използвани бутилки за вода и напитки. Доскоро рециклирането на PET водеше до получаване на нискокачествени пластмаси. Нов мутантен ензим обещава разграждане на PET до първична суровина, която може да се използва за нови висококачествени пластмаси. Ензимите, стимулирани с ултразвук, показват по-висока ефективност, като ускоряват ензимното рециклиране на пластмаси и увеличават производствения капацитет на процесите.

Как мощният ултразвук интензифицира ензимното рециклиране на PET

• Увеличава драстично достъпната повърхност на PET субстратите, като прави прахообразните форми значително по-податливи на биокатализа от плътните филми.
• Намалява инхибиращите ефекти на кристалинността на полимера, като позволява на PET с ниска кристалинност да се хидролизира по-бързо.
• Действа като целенасочен стимул за активиране, при който кратка начална ултразвукова обработка драстично увеличава отделянето на мономери като терефталова киселина (TA) и MHET.
• Подобрява масообмена и контакта на междуфазната граница между ензима и полимера, без да изисква агресивни термични или химични предварителни обработки.
• Намалява общите енергийни потребности, като ограничава прилагането на ултразвукова енергия до кратка фаза на активиране вместо непрекъснато по време на реакцията.

Преодоляване на физическите бариери чрез акустична кавитация

Поли(етилентерефталатът) (PET) е значително устойчив на биологично рециклиране поради високата си молекулна маса, хидрофобността и полукристалната си структура, които естествено ограничават проникването на ензимите и каталитичния контакт. Ултразвуковото облъчване ефективно преодолява тези физически ограничения чрез създаване на акустична кавитация, която предизвиква локализирано микросмесване, механични сили на срязване и контролирани температурни колебания на границата между полимера и разтворителя. Тази акустична енергия предизвиква набъбване на полимерната матрица, разрушава твърдите кристални области и драстично увеличава достъпната повърхност за прикрепване на биокатализатора. Чрез физическо кондициониране на субстрата преди или по време на началния етап на хидролизата ултразвуковата обработка неутрализира отрицателното влияние на кристалинността и създава по-благоприятна микросреда за ензимно въздействие, като осигурява високоефективна основа за устойчива деполимеризация.

Синергично активиране на кутиназни биокатализатори

Съчетаването на мощен ултразвук с кутиназни ензими, особено с кутиназа 1 от Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), демонстрира силна синергична връзка, която максимизира каталитичния оборот, 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 и води до забележително увеличение от 5,2 до 6,6 пъти на отделянето на продукти на разграждането като TA и MHET. Този кратък импулс на акустична енергия вероятно подобрява подвижността на ензима, усилва омокрянето на междуфазната граница и временно модифицира повърхността на полимера, така че да благоприятства каталитичното свързване, без да денатурира белтъка. Като отделя внасянето на висока енергия от цялата продължителност на реакцията, синергията между ултразвуковата обработка и кутиназата осигурява значително повишаване на ефективността на деполимеризацията, като същевременно поддържа стабилността на биокатализатора и намалява общото енергопотребление на процеса.

Морфология на субстрата и мащабируемост на процеса

Успехът на ензимното рециклиране на PET, подпомагано с ултразвук, зависи силно от геометрията и физическата форма на субстрата, като прахообразните субстрати неизменно дават по-добри резултати от непрекъснатите филми. Проучванията показват, че ултразвуковото активиране е приблизително три пъти по-ефективно при PET прахове в сравнение с филми, главно защото зърнестата морфология осигурява много по-голяма и по-достъпна повърхност за ензимна хидролиза. Докато праховете с ниска кристалинност (напр. 8%) показват бързо и силно изразено разграждане, дори структурирани субстрати като PET филми с 7% кристалинност демонстрират измерими ползи, например 1,2-кратно увеличение на отделянето на TA при продължителни 72-часови реакции. Тези морфологични зависимости подчертават необходимостта от адаптиране на ултразвуковите параметри към характеристиките на субстрата, като доказват, че стратегически прилаганата ултразвукова обработка може ефективно да свърже ензимното рециклиране в лабораторен мащаб с мащабируемо, промишлено осъществимо оползотворяване на пластмасови отпадъци.

Високопроизводителни ултразвукови процесори за ензимни реакции

Hielscher Ultrasonics има дългогодишен опит в проектирането, производството и дистрибуцията на високопроизводителни ултразвукови апарати за приложения с мощен ултразвук в лабораторията и промишлеността. Нашите знания и опит в усъвършенстваната ултразвукова обработка са част от това, което предлагаме на нашите клиенти.
Съпровождаме нашите клиенти от първата консултация през изпитванията за осъществимост и оптимизацията на процеса до окончателното инсталиране и експлоатацията на вашата ултразвукова система.
Нашите прецизно управляеми ултразвукови устройства позволяват да се влияе върху ензимната активност, кинетиката, термодинамичните свойства, както и върху температурата на обработка.
Нашето портфолио от мощни и надеждни ултразвукови процесори обхваща целия диапазон от компактното ръчно лабораторно устройство до настолни и изцяло промишлени процесори. Всички ултразвукови устройства с мощност от 200 вата нагоре са оборудвани с цифров сензорен дисплей, интелигентен софтуер, дистанционно управление чрез браузър и автоматично регистриране на данни върху вградена SD карта. Индивидуално регулируемият цикличен режим на ултразвукова обработка (импулсен режим) позволява задаване и контролиране на излагането на ензима на ултразвукова обработка (време на обработка и периоди на почивка). Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

За ензимното рециклиране на пластмаси

Хидролитичният ензим кутиназа от компост от листа и клони (LLC) се среща в природата и разкъсва връзките между двата градивни компонента на полиетилентерефталата (PET) – терефталат и етиленгликол. Общата ефективност на ензима и неговата чувствителност към топлина обаче са фактори, ограничаващи реакцията, които значително намаляват ефективността на процеса. Ензимът кутиназа от компост от листа и клони 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 фактор за процеса, тъй като стопилката предлага по-голяма повърхност, върху която ензимът може да действа.
Изследователи са модифицирали чрез инженерни методи естествено срещащия се ензим кутиназа от компост от листа и клони и са променили аминокиселини в неговите места на свързване. Това е довело до получаване на мутантен ензим, който показва 10 000 пъти по-висока активност при разкъсването на връзките в PET (в сравнение с нативния ензим LLC) и значително подобрена термостабилност. Това означава, че новият мутантен ензим не се разгражда при 72°C – температурата, при която PET започва да се топи.
Ултразвуковото диспергиране и активиране на повърхността подпомагат ензимно задвижваната каталитична реакция. Специфични параметри на ултразвуковата обработка като ултразвукова амплитуда, време, температура и налягане могат да бъдат точно настроени според вида на ензима, за да се повиши неговата каталитична активност. Параметрите на ултразвуковата обработка и въздействието им върху ензимите зависят от конкретния вид ензим, неговия аминокиселинен състав и конформационната му структура. Следователно всеки вид ензим има оптимални условия на процеса, при които се постига оптимално ензимно активиране.

Ултразвуково диспергиране на ензима и субстрата

Генерираните с ултразвук срязване и микротурбулентност са добре известни с високата си ефективност при приложения за диспергиране. Ултразвуково индуцираното диспергиране както на ензимни агрегати, така и на агломерати на субстрата подобрява ензимната каталитична активност, тъй като разрушаването на молекулните агрегати и агломерати увеличава активната повърхност за реакция между ензимите и субстрата.

Кутиназен ензим, стимулиран с ултразвук

Ултразвуковата обработка е показала добри резултати при активирането на ензима utinase Thc_Cut1 по отношение на активността му при хидролиза на PET. Подобреното с ултразвук ензимно разграждане на PET е довело до 6,6-кратно увеличение на отделените продукти на разграждането в сравнение с необработения PET. Увеличаването на процента на кристалинност (28%) в PET прах и филми е довело до по-ниски добиви при хидролизата, което би могло да е свързано с намалената достъпност на повърхността. (срв. Nikolaivits et al. 2018)