Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-gestütztes enzymatisches Plastik-Recycling

Polyethylenterephthalat (PET) ist eine riesige Abfallquelle, die hauptsächlich durch Wasser- und Getränkeflaschen entsteht. Bis vor kurzem führte das Recycling von PET zu minderwertigen Kunststoffen. Ein neues mutiertes Enzym verspricht die Zersetzung von PET zu reinen Rohstoffen, welche für die Herstellung neuer hochwertiger Kunststoffe verwendet werden kann. Mittels Ultraschall aktivierte Enzyme zeigen eine höhere Effizienz, beschleunigen das enzymatische Recycling von Kunststoffen und erhöhen dadurch die Prozesskapazitäten.

Ultraschall im enzymatischen Kunststoffrecycling

Hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall ist bekannt für seine Wirkung auf enzymatische Reaktionen. Die Beschallung kann sowohl zur Aktivierung als auch zur Inaktivierung von Enzymen eingesetzt werden. Eine kontrollierte Beschallung bei niedrigen bis mittleren Amplituden aktiviert Enzyme und fördert den Stoffaustausch zwischen Enzymen und Substrat, was zu einer erhöhten katalytischen Aktivität der Enzyme führt.
Die Behandlung mit Ultraschall verändert Enzymeigenschaften und fördert dadurch die Enzymaktivität. Die ultraschall-gestützte Substratvorbehandlung beschleunigt enzymatische Reaktionen.
Das Mischen und Dispergieren mittels Ultrascahall förderte den Stoffaustausch zwischen Enzymen und Kunststoffsubstrat, so dass das Enzym in die Schmelze des hochkristallinen PET eindringen und dieses zersetzen kann. Als energieeffiziente und einfach zu bedienende Technologie hilft die Beschallung, PET kostengünstig und umweltfreundlich zu recyceln.

Ultraschalldispersion von Enzymen und Substraten

Mittels Ultraschall erzeugte Scherkräfte und Mikroturbulenzen sind für ihre hohe Dispergiereffizienz bekannt. Die ultraschall-gestütze Dispergierung von Enzymaggregaten sowie von Substratagglomeraten verbessert die enzymatisch-katalytische Aktivität, da das Aufbrechen der molekularen Aggregaten und Agglomeraten die aktive Oberfläche zwischen Enzymen und Substrat für die Reaktion vergrößert.

Ultraschallprozessor UIP4000hdT, ein 4kW starker Ultraschall-Reaktor

UIP4000hdT, ein 4000 Watt starker Ultraschallprozessor

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Ultraschall-aktiviertes Cutinase-Enzym

Die ultraschall-gestützte Aktivierung des Enzyms cutinase Thc_Cut1 zeigt gute Resultate im Hinblick auf seine PET-Hydrolyseaktivität. Der ultraschall-aktivierte enzymatische Abbau von PET führte zu einer 6,6-fachen Erhöhung der freigesetzten Abbauprodukte im Vergleich zu unbehandeltem PET. Ein Anstieg des kristallinen Anteils (28%) in PET-Pulver und -Film führte zu geringeren Hydrolyseausbeuten, was mit der geringeren Oberflächenverfügbarkeit zusammenhängen könnte. (vgl. Nikolaivits et al. 2018)

Ultraschall-Effekte auf enzymatische Reaktionen:

  • erhöhte Enzymaktivität
  • beschleunigte Enzymreaktionen
  • vollständigere Reaktionen

Über das enzymatische Kunststoffrecycling

Das Hydrolyseenzym "leaf-branch compost cutinase" (LLC) kommt in der Natur vor und zerschneidet die Bindungen zwischen den beiden Bausteinen, aus denen Polyethylenterephthalat (PET) besteht - Terephthalat und Ethylenglykol. Die Gesamtwirkungsgrad des Enzyms und seine Wärmeempfindlichkeit sind jedoch reaktionslimitierende Faktoren, welche die Prozesseffizienz deutlich reduzieren. Das "leaf-branch compost cutinase"-Enzym wird ab 65°C thermisch zersetzt, während die Zersetzung von PET Temperaturen von 72°C oder höher erfordern, da PET erst ab diesen Tempraturen zu schmelzen beginnt. Geschmolzenes PET ist ein wichtiger Prozessfaktor, da die Schmelze eine größere Oberfläche bietet, an der das Enzym arbeiten kann.
Forscher haben das natürlich vorkommende "leaf-branch compost cutinase"-Enzym genetisch verändert und die Aminosäuren an den Bindungsstellen ausgetauscht. Dies führte zu einem mutierten Enzym, das eine um das 10.000-fache erhöhte Aktivität beim Aufbrechen von PET-Bindungen (im Vergleich zum nativen LLC-Enzym) hat und eine deutlich verbesserte Hitzestabilität aufweist. Dies bedeutet, dass das neue mutierte Enzym bei 72°C, der Temperatur, bei der PET zu schmelzen beginnt, nicht zerstört wird.
Die ultraschall-gestützte Dispergierung und Oberflächenaktivierung fördert die enzymatisch- katalytische Reaktion. Spezifische Beschallungsparameter wie Ultraschallamplitude, Beschallungsdauer, Prozesstemperatur und -druck können exakt auf den Enzymtyp abgestimmt werden, um dessen katalytische Aktivität zu erhöhen. Die Ultraschallprozessparameter und ihre Auswirkungen auf Enzyme hängen vom spezifischen Enzymtyp, seiner Aminosäurezusammensetzung und der Struktur ab. Dadurch hat jeder Enzymtyp spezifische optimale Prozessbedingungen, unter denen eine optimale Enzymaktivierung erreicht wird.

Vorteile der Beschallung

  • Erhöhter Stoffaustausch
  • Erhöhte die Konversiosnrate
  • Erhöhte katalytische Effizienz
  • Exakt steuerbar, um die optimalen Prozessparameter des Enzyms zu treffen
  • Risikofreies Testen
  • Linear skalierbar
  • kostengünstig
  • Sicher und einfach zu bedienen
  • Geringer Wartungsaufwand
  • schneller ROI
  • umweltfreundlich
Gerührter Ultraschalltank für die Batch-Verarbeitung

Tank mit 8kW-Ultraschallgeräten (4x UIP2000hdT) und Rührwerk

Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für enzymatische Reaktionen

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und dem Vertrieb von Hochleistungs-Ultraschallgeräten für anspruchsvolle Anwendungen in Labor und Industrie. Unser Wissen und unsere Erfahrung in zahlreichen Ultraschallprozessen sind Teil des Leistungsumfanges, welchen wir unseren Kunden anbieten.
Wir begleiten unsere Kunden von der Erstberatung über die Machbarkeitsprüfung und Prozessoptimierung bis hin zur Installation und dem Betrieb Ihres eigenen Ultraschallsystems.
Mit unseren präzise steuerbaren Ultraschallgeräten lassen sich Enzymaktivität, Kinetik, thermodynamische Eigenschaften sowie die Verarbeitungstemperatur exakt regeln.
Unser Portfolio an leistungsstarken und zuverlässigen Ultraschallprozessoren deckt die gesamte Bandbreite vom kompakten tragbaren Labor-Handgerät bis hin zu Benchtop- und vollindustriellen Prozessoren ab. Ab 200 Watt aufwärts sind alle Ultraschallgeräte mit einem digitalen Touch-Display, intelligenter Software, Browser-Fernsteuerung und automatischer Datenprotokollierung auf einer integrierten SD-Karte ausgestattet. Der individuell einstellbare Beschallungszyklus-Modus (Pulsmodus) ermöglicht die Einstellung und Kontrolle der Enzymexposition (Beschallung und Pausenzeiten) bei der Ultraschallbehandlung. Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Akustische Kavitationskräfte

Niederfrequenter, hochintensiver Ultraschall (ca. 20 – 50kHz) erzeugt akustische/Ultraschall-Kavitation, welche physikalische, mechanische und chemische Effekte hervorruft. Die Effekte der akustischen Kavitation können in Form von der Entstehung, dem Wachstum und der anschließenden heftigen Implosion winziger Vakuumblasen beobachtet werden, welche durch Druckschwankungen der in eine Flüssigkeit eingekoppelten Ultraschallwellen entstehen. Bei der Implosion von Kavitationsblasen entstehen so genannte Hot Spots, welche auf kleinsten Raum und kurze Dauer begrenzt sind. Diese lokal auftretenden Hot Spots zeichnen sich durch eine intensive Erhitzung von mindestens 5000 K, Drücke bis zu 1200 bar sowie hohe Temperatur- und Druckunterschiede aus, welche innerhalb von Millisekunden auftreten. Tröpfchen und Partikel der Flüssigkeit werden zu Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 208 m/s beschleunigt.

Ultraschall / akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, welche die Oberfläche von Enzymen aktivieren und den Stoffaustausch zwischen Enzymen und Substrat fördern (Zum Vergrößern anklicken!)

Die Ultraschallbehandlung von Enzymen basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften