Ενζυμική ανακύκλωση πλαστικών ενισχυμένη με υπερήχους
Το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) αποτελεί τεράστια πηγή αποβλήτων, τα οποία προέρχονται κυρίως από χρησιμοποιημένες φιάλες νερού και ποτών. Μέχρι πρόσφατα, η ανακύκλωση του PET παρήγαγε πλαστικά χαμηλής ποιότητας. Ένα νέο μεταλλαγμένο ένζυμο υπόσχεται την αποδόμηση του PET σε πρωτογενή πρώτη ύλη, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για νέα πλαστικά υψηλής ποιότητας. Τα ένζυμα των οποίων η δράση ενισχύεται με υπερήχους παρουσιάζουν υψηλότερη απόδοση, επιταχύνοντας την ενζυμική ανακύκλωση των πλαστικών και αυξάνοντας τη δυναμικότητα των διεργασιών.
Πώς οι υπέρηχοι ισχύος ενισχύουν την ενζυμική ανακύκλωση του PET
- Αυξάνει δραστικά την προσβάσιμη επιφάνεια των υποστρωμάτων PET, καθιστώντας τις μορφές σε σκόνη σημαντικά πιο δεκτικές στη βιοκατάλυση από ό,τι τα συμπαγή υμένια.
- Μετριάζει τις ανασταλτικές επιδράσεις της κρυσταλλικότητας του πολυμερούς, επιτρέποντας στο PET χαμηλής κρυσταλλικότητας να υδρολύεται με αυξημένους ρυθμούς.
- Λειτουργεί ως στοχευμένο έναυσμα ενεργοποίησης, με τη σύντομη αρχική κατεργασία με υπερήχους να ενισχύει θεαματικά την απελευθέρωση μονομερών όπως το τερεφθαλικό οξύ (TA) και το MHET.
- Ενισχύει τη μεταφορά μάζας και τη διεπιφανειακή επαφή μεταξύ του ενζύμου και του πολυμερούς χωρίς να απαιτεί έντονες θερμικές ή χημικές προκατεργασίες.
- Μειώνει τις συνολικές ενεργειακές απαιτήσεις περιορίζοντας την ενέργεια των υπερήχων σε μια σύντομη φάση ενεργοποίησης, αντί να την εφαρμόζει συνεχώς κατά την αντίδραση.
Σύστημα κατεργασίας με υπερήχους για την ενίσχυση ενζυμικών αντιδράσεων
Υπέρβαση των φυσικών φραγμών μέσω ακουστικής σπηλαίωσης
Το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) παρουσιάζει σημαντική ανθεκτικότητα στη βιολογική ανακύκλωση λόγω του υψηλού μοριακού βάρους, της υδροφοβικότητας και της ημικρυσταλλικής δομής του, που περιορίζουν εκ φύσεως τη διείσδυση των ενζύμων και την καταλυτική επαφή. Η ακτινοβόληση με υπερήχους αίρει αποτελεσματικά αυτούς τους φυσικούς περιορισμούς δημιουργώντας ακουστική σπηλαίωση, η οποία παράγει τοπική μικροανάμειξη, μηχανικές δυνάμεις διάτμησης και ελεγχόμενες θερμικές διακυμάνσεις στη διεπιφάνεια πολυμερούς–διαλύτη. Αυτή η ακουστική ενέργεια διογκώνει την πολυμερική μήτρα, διαταράσσει τις άκαμπτες κρυσταλλικές περιοχές και αυξάνει θεαματικά τη διαθέσιμη επιφάνεια για την προσκόλληση του βιοκαταλύτη. Τροποποιώντας τις φυσικές ιδιότητες του υποστρώματος πριν από την υδρόλυση ή κατά τα αρχικά της στάδια, η κατεργασία με υπερήχους εξουδετερώνει την αρνητική επίδραση της κρυσταλλικότητας και δημιουργεί ένα ευνοϊκότερο μικροπεριβάλλον για την ενζυμική προσβολή, θέτοντας μια εξαιρετικά αποδοτική βάση για βιώσιμο αποπολυμερισμό.
Συνεργιστική ενεργοποίηση βιοκαταλυτών κουτινάσης
Ο συνδυασμός υπερήχων ισχύος με ένζυμα κουτινάσης, ιδιαίτερα με την κουτινάση 1 του Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), επιδεικνύει ισχυρή συνεργιστική δράση που μεγιστοποιεί τον ρυθμό καταλυτικής μετατροπής, διατηρώντας παράλληλα την ακεραιότητα του ενζύμου. Αντί να διατηρείται συνεχής ακτινοβόληση με υπερήχους, η εφαρμογή μιας σύντομης φάσης ενεργοποίησης διάρκειας 10 λεπτών κατά την έναρξη της υδρόλυσης προετοιμάζει το σύστημα, με αποτέλεσμα μια αξιοσημείωτη αύξηση κατά 5,2 έως 6,6 φορές στην απελευθέρωση προϊόντων αποδόμησης όπως το TA και το MHET. Αυτή η σύντομη εφαρμογή ακουστικής ενέργειας πιθανότατα βελτιώνει την κινητικότητα του ενζύμου, ενισχύει τη διαβροχή στη διεπιφάνεια και τροποποιεί προσωρινά την επιφάνεια του πολυμερούς, ευνοώντας την καταλυτική πρόσδεση χωρίς να μετουσιώνει την πρωτεΐνη. Αποσυνδέοντας την υψηλή ενεργειακή εισροή από τη συνολική διάρκεια της αντίδρασης, η συνέργεια της κατεργασίας με υπερήχους και της κουτινάσης επιφέρει ουσιαστικές βελτιώσεις στην απόδοση του αποπολυμερισμού, διατηρώντας παράλληλα τη σταθερότητα του βιοκαταλύτη και μειώνοντας τη συνολική ενεργειακή κατανάλωση της διεργασίας.
Μορφολογία του υποστρώματος και δυνατότητα κλιμάκωσης της διεργασίας
Η επιτυχία της ενζυμικής ανακύκλωσης PET με υποβοήθηση υπερήχων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία και τη φυσική μορφή του υποστρώματος, με τα υποστρώματα σε μορφή σκόνης να υπερέχουν σταθερά έναντι των συνεχών μεμβρανών. Μελέτες δείχνουν ότι η ενεργοποίηση με υπερήχους είναι περίπου τρεις φορές πιο αποτελεσματική στις σκόνες PET σε σύγκριση με τις μεμβράνες, κυρίως επειδή η κοκκώδης μορφολογία παρέχει πολύ μεγαλύτερη και πιο προσβάσιμη επιφάνεια για την ενζυμική υδρόλυση. Ενώ οι σκόνες χαμηλής κρυσταλλικότητας (π.χ. 8%) παρουσιάζουν ταχεία και σταθερή αποδόμηση, ακόμη και δομημένα υποστρώματα, όπως οι μεμβράνες PET με κρυσταλλικότητα 7%, παρουσιάζουν μετρήσιμα οφέλη, όπως βελτίωση της απελευθέρωσης TA κατά συντελεστή 1,2 σε παρατεταμένες περιόδους αντίδρασης 72 ωρών. Αυτές οι εξαρτήσεις από τη μορφολογία αναδεικνύουν την ανάγκη προσαρμογής των παραμέτρων υπερήχων στα χαρακτηριστικά του υποστρώματος, αποδεικνύοντας ότι η στρατηγική εφαρμογή κατεργασίας με υπερήχους μπορεί να συνδέσει αποτελεσματικά την ενζυμική ανακύκλωση εργαστηριακής κλίμακας με την αξιοποίηση πλαστικών αποβλήτων σε επεκτάσιμη και βιομηχανικά βιώσιμη κλίμακα.
Οι υπέρηχοι ισχύος βελτιώνουν τον αποπολυμερισμό του τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET) για αποδοτική ανακύκλωση
Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής απόδοσης για ενζυμικές αντιδράσεις
Η Hielscher Ultrasonics διαθέτει πολυετή εμπειρία στον σχεδιασμό, την κατασκευή και τη διανομή συσκευών υπερήχων υψηλής απόδοσης για εφαρμογές ισχύος στο εργαστήριο και τη βιομηχανία. Η γνώση και η εμπειρία μας στην προηγμένη επεξεργασία με υπερήχους αποτελούν μέρος όσων προσφέρουμε στους πελάτες μας.
Καθοδηγούμε τους πελάτες μας από την αρχική συμβουλευτική, μέσω δοκιμών εφικτότητας και βελτιστοποίησης της διεργασίας, έως την τελική εγκατάσταση και λειτουργία του συστήματος υπερήχων τους.
Οι συσκευές υπερήχων μας με δυνατότητα ακριβούς ελέγχου επιτρέπουν την επίδραση στην ενζυμική δραστικότητα, την κινητική, τις θερμοδυναμικές ιδιότητες, καθώς και στη θερμοκρασία επεξεργασίας.
Η γκάμα των ισχυρών και αξιόπιστων επεξεργαστών υπερήχων μας καλύπτει όλο το φάσμα, από τη συμπαγή εργαστηριακή συσκευή χειρός έως τους επιτραπέζιους και τους πλήρως βιομηχανικούς επεξεργαστές. Από τα 200 watts και άνω, όλες οι συσκευές υπερήχων διαθέτουν ψηφιακή οθόνη αφής, έξυπνο λογισμικό, απομακρυσμένο έλεγχο μέσω προγράμματος περιήγησης και αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD. Η εξατομικευμένα ρυθμιζόμενη λειτουργία κύκλων κατεργασίας με υπερήχους (παλμική λειτουργία) επιτρέπει τη ρύθμιση και τον έλεγχο της έκθεσης του ενζύμου στην κατεργασία με υπερήχους (χρόνος έκθεσης και περίοδοι ανάπαυσης). Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει λειτουργία 24/7 υπό συνθήκες βαριάς χρήσης και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας παρέχει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Σχετικά με την ενζυμική ανακύκλωση πλαστικών
Το υδρολυτικό ένζυμο κουτινάση κομπόστ φύλλων και κλαδιών (LLC) απαντά στη φύση και διασπά τους δεσμούς μεταξύ των δύο δομικών μονάδων του τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET), του τερεφθαλικού και της αιθυλενογλυκόλης. Ωστόσο, η συνολική αποτελεσματικότητα του ενζύμου και η ευαισθησία του στη θερμότητα αποτελούν παράγοντες που περιορίζουν την αντίδραση και μειώνουν σημαντικά την αποδοτικότητα της διεργασίας. Το ένζυμο κουτινάση κομπόστ φύλλων και κλαδιών αρχίζει να αποικοδομείται στους 65°C, ενώ οι διεργασίες αποικοδόμησης του PET απαιτούν θερμοκρασίες ίσες ή υψηλότερες από τους 72°C, θερμοκρασία στην οποία το PET αρχίζει να τήκεται. Το τηγμένο PET αποτελεί σημαντικό παράγοντα της διεργασίας, καθώς το τήγμα προσφέρει μεγαλύτερη επιφάνεια στην οποία μπορεί να δράσει το ένζυμο.
Οι ερευνητές επανασχεδίασαν το φυσικώς απαντώμενο ένζυμο κουτινάση κομπόστ φύλλων και κλαδιών και άλλαξαν αμινοξέα στις θέσεις πρόσδεσής του. Αυτό οδήγησε σε ένα μεταλλαγμένο ένζυμο που παρουσιάζει αυξημένη δραστικότητα κατά 10.000 φορές στη διάσπαση των δεσμών του PET (σε σύγκριση με το φυσικό ένζυμο LLC) και σημαντικά βελτιωμένη θερμική σταθερότητα. Αυτό σημαίνει ότι το νέο μεταλλαγμένο ένζυμο δεν αποικοδομείται στους 72°C, τη θερμοκρασία στην οποία το PET αρχίζει να τήκεται.
Η διασπορά με υπερήχους και η επιφανειακή ενεργοποίηση προάγουν την ενζυμικά καταλυόμενη αντίδραση. Συγκεκριμένες παράμετροι της κατεργασίας με υπερήχους, όπως το πλάτος ταλάντωσης των υπερήχων, ο χρόνος, η θερμοκρασία και η πίεση, μπορούν να προσαρμοστούν με ακρίβεια στον τύπο του ενζύμου ώστε να αυξηθεί η καταλυτική του δραστικότητα. Οι παράμετροι της κατεργασίας με υπερήχους και οι επιδράσεις τους στα ένζυμα εξαρτώνται από τον συγκεκριμένο τύπο ενζύμου, τη σύστασή του σε αμινοξέα και τη διαμορφωτική του δομή. Συνεπώς, κάθε τύπος ενζύμου έχει βέλτιστες συνθήκες διεργασίας υπό τις οποίες επιτυγχάνεται η βέλτιστη ενεργοποίησή του.
Διασπορά ενζύμου και υποστρώματος με υπερήχους
Η διάτμηση και οι μικροστροβιλισμοί που δημιουργούνται με υπερήχους είναι ευρέως γνωστοί για την υψηλή αποδοτικότητά τους στις εφαρμογές διασποράς. Η διασπορά των ενζυμικών συσσωματωμάτων καθώς και των συσσωματωμάτων του υποστρώματος, η οποία προκαλείται από τους υπερήχους, βελτιώνει την ενζυμική καταλυτική δραστικότητα, καθώς η διάσπαση των μοριακών συσσωματωμάτων και των συσσωματωμάτων του υποστρώματος αυξάνει την ενεργή επιφάνεια μεταξύ ενζύμων και υποστρώματος που είναι διαθέσιμη για την αντίδραση.
Ενίσχυση του ενζύμου κουτινάση με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους έχει δείξει καλά αποτελέσματα στην ενεργοποίηση του ενζύμου utinase Thc_Cut1 όσον αφορά τη δραστικότητά του στην υδρόλυση του PET. Η ενζυμική αποικοδόμηση του PET με ενίσχυση από υπερήχους οδήγησε σε αύξηση κατά 6,6 φορές των απελευθερούμενων προϊόντων αποικοδόμησης σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο PET. Η αύξηση του ποσοστού κρυσταλλικότητας (28%) στη σκόνη και στα υμένια PET οδήγησε σε χαμηλότερες αποδόσεις υδρόλυσης, γεγονός που θα μπορούσε να σχετίζεται με τη μειωμένη διαθεσιμότητα επιφάνειας. (πρβλ. Nikolaivits et al. 2018)
Επιτραπέζια συσκευή υπερήχων UIP1500hdT με κυψελίδα ροής για τον αποπολυμερισμό του PET με σκοπό την ανακύκλωση
Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τον ενζυμικό αποπολυμερισμό του PET με ενίσχυση από υπερήχους
Πώς βελτιώνουν οι υπέρηχοι την ενζυμική ανακύκλωση του PET;
Οι υπέρηχοι ενισχύουν την ενζυμική υδρόλυση του τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET), αυξάνοντας σημαντικά την απελευθέρωση προϊόντων αποικοδόμησης κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Η εφαρμογή μιας σύντομης φάσης ενεργοποίησης με ενέργεια υπερήχων μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της απόδοσης σε μονομερή σε σύγκριση με τις συμβατικές ενζυμικές μεθόδους.
Πώς επηρεάζει η κρυσταλλικότητα του PET την αποδοτικότητα της υδρόλυσης με ενίσχυση από υπερήχους;
Η κρυσταλλικότητα του PET επηρεάζει αρνητικά την ενζυμική υδρόλυση· τα υποστρώματα με χαμηλότερη κρυσταλλικότητα αποικοδομούνται πολύ ταχύτερα. Για παράδειγμα, η σκόνη PET με κρυσταλλικότητα 8% υδρολύθηκε σημαντικά ταχύτερα από το PET με κρυσταλλικότητα 28% όταν υποβλήθηκαν σε ενεργοποίηση με υπερήχους.
Επηρεάζει η φυσική μορφή του υποστρώματος PET (σκόνη έναντι υμενίου) την αποτελεσματικότητα των υπερήχων;
Ναι, η φυσική μορφή του υποστρώματος επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα. Η ενεργοποίηση με υπερήχους είναι περίπου τρεις φορές πιο αποτελεσματική στις σκόνες PET από ό,τι στα υμένια. Αυτή η διαφορά αποδίδεται κυρίως στη μεγαλύτερη επιφάνεια που είναι διαθέσιμη για ενζυμική προσβολή στα υποστρώματα σε μορφή σκόνης σε σύγκριση με τα συνεχή υμένια.
Ποιο ένζυμο χρησιμοποιείται συνήθως στην αποικοδόμηση του PET με τη βοήθεια υπερήχων;
Το ένζυμο κουτινάση 1 του Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1) χρησιμοποιείται συνήθως σε διεργασίες υδρόλυσης του PET που ενεργοποιούνται με υπερήχους. Αυτός ο βιοκαταλύτης παρουσιάζει βελτιωμένη δραστικότητα όταν η αντίδραση ξεκινά με μια σύντομη ριπή ενέργειας υπερήχων.
Προάγει η κατεργασία με υπερήχους άλλες οδούς αποπολυμερισμού του PET;
Ναι, οι υπέρηχοι ισχύος υποστηρίζουν την αλκαλική, όξινη ή ουδέτερη υδρόλυση, τη γλυκόλυση με αιθυλενογλυκόλη, τη μεθανόλυση, την καταλυτική σολβόλυση, καθώς και την ενζυμική υδρόλυση του PET.
Μάθετε πώς η κατεργασία με υπερήχους εντατικοποιεί την αλκαλική υδρόλυση του PET!
Τι είναι η ακουστική σπηλαίωση;
Η κατεργασία με υπερήχους χαμηλής συχνότητας και υψηλής έντασης (περίπου 20 – 50kHz) προκαλεί ακουστική σπηλαίωση / σπηλαίωση υπερήχων, η οποία παράγει φυσικές, μηχανικές και χημικές επιδράσεις. Οι επιδράσεις της ακουστικής σπηλαίωσης μπορούν να παρατηρηθούν ως σχηματισμός, ανάπτυξη και επακόλουθη βίαιη κατάρρευση μικροσκοπικών φυσαλίδων κενού, οι οποίες δημιουργούνται λόγω διακυμάνσεων της πίεσης από τα υπερηχητικά κύματα που συζεύγνυνται σε ένα υγρό. Κατά την ενδόρρηξη των φυσαλίδων σπηλαίωσης δημιουργούνται οι λεγόμενες θερμές εστίες, οι οποίες περιορίζονται σε μικρό χώρο και έχουν σύντομη διάρκεια. Αυτές οι τοπικές θερμές εστίες χαρακτηρίζονται από έντονη θέρμανση σε θερμοκρασίες τουλάχιστον 5000 K, πιέσεις έως 1200 bar και μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας και πίεσης που εμφανίζονται μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Σταγονίδια και σωματίδια του υγρού επιταχύνονται σχηματίζοντας πίδακες υγρού με ταχύτητες έως 208m/s.
Η κατεργασία ενζύμων με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση και στις υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης που αυτή παράγει
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.