Ενισχυμένη με υπερήχους ενζυματική ανακύκλωση πλαστικών
Το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) είναι μια τεράστια πηγή αποβλήτων που προέρχεται κυρίως από χρησιμοποιημένα μπουκάλια νερού και ποτών. Μέχρι πρόσφατα, η ανακύκλωση του PET είχε ως αποτέλεσμα πλαστικά χαμηλής ποιότητας. Ένα νέο μεταλλαγμένο ένζυμο υπόσχεται την αποικοδόμηση του PET σε παρθένα πρώτη ύλη, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για νέα πλαστικά υψηλής ποιότητας. Υπερήχων προωθούνται ένζυμα δείχνουν υψηλότερη αποτελεσματικότητα, επιταχύνοντας την ενζυματική ανακύκλωση των πλαστικών και αυξάνοντας τις ικανότητες επεξεργασίας.
Πώς το ισχυρό υπερηχογράφημα ενισχύει την ενζυματική ανακύκλωση του PET
- Αυξάνει δραστικά την προσβάσιμη επιφάνεια των υποστρωμάτων PET, καθιστώντας τις μορφές σε σκόνη σημαντικά πιο ευαίσθητες στη βιοκατάλυση σε σύγκριση με τα στερεά φιλμ.
- Μειώνει τις ανασταλτικές επιδράσεις της κρυσταλλικότητας του πολυμερούς, επιτρέποντας στο PET χαμηλής κρυσταλλικότητας να υδρολυθεί με ταχύτερους ρυθμούς.
- Λειτουργεί ως παράγοντας στοχευμένης ενεργοποίησης, όπου η σύντομη αρχική υπερηχητική επεξεργασία ενισχύει δραματικά την απελευθέρωση μονομερών όπως το τερεφθαλικό οξύ (TA) και το MHET.
- Βελτιώνει τη μεταφορά μάζας και την επαφή μεταξύ του ενζύμου και του πολυμερούς, χωρίς να απαιτούνται έντονες θερμικές ή χημικές προεπεξεργασίες.
- Μειώνει τις συνολικές ενεργειακές απαιτήσεις, περιορίζοντας την υπερηχητική ενέργεια σε μια σύντομη φάση ενεργοποίησης, αντί για συνθήκες συνεχούς αντίδρασης.
Σύστημα υπερήχων για την εντατικοποίηση των ενζυματικών αντιδράσεων
Υπερνίκηση φυσικών εμποδίων μέσω της ακουστικής σπηλαίωσης
Το πολυ(αιθυλενοτερεφθαλικό) (PET) παρουσιάζει σημαντική ανθεκτικότητα στη βιολογική ανακύκλωση λόγω του υψηλού μοριακού βάρους, της υδροφοβικότητάς του και της ημικρυσταλλικής δομής του, χαρακτηριστικά που περιορίζουν φυσικά τη διείσδυση των ενζύμων και την καταλυτική επαφή. Η ακτινοβολία με υπερήχους εξουδετερώνει αποτελεσματικά αυτούς τους φυσικούς περιορισμούς δημιουργώντας ακουστική σπηλαίωση, η οποία προκαλεί τοπική μικροανάμιξη, μηχανικές δυνάμεις διάτμησης και ελεγχόμενες θερμικές διακυμάνσεις στη διεπαφή πολυμερούς-διαλύτη. Αυτή η ακουστική ενέργεια διογκώνει τη μήτρα του πολυμερούς, διαταράσσει τις άκαμπτες κρυσταλλικές περιοχές και αυξάνει δραματικά τη διαθέσιμη επιφάνεια για την προσκόλληση του βιοκαταλύτη. Μέσω της φυσικής προετοιμασίας του υποστρώματος πριν ή κατά τη διάρκεια της υδρόλυσης σε πρώιμο στάδιο, η υπερηχητική επεξεργασία εξουδετερώνει την αρνητική επίδραση της κρυσταλλικότητας και δημιουργεί ένα πιο ευνοϊκό μικροπεριβάλλον για την ενζυμική δράση, θέτοντας τα θεμέλια για μια εξαιρετικά αποδοτική και βιώσιμη αποπολυμερισμό.
Συνεργιστική ενεργοποίηση βιοκαταλυτών κουτινάσης
Η συνδυαστική χρήση ισχυρού υπερήχου με ένζυμα κουτινάσης, και συγκεκριμένα της κουτινάσης 1 του Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), αποδεικνύει μια ισχυρή συνεργιστική σχέση που μεγιστοποιεί τον καταλυτικό ρυθμό αντίδρασης, διατηρώντας παράλληλα την ακεραιότητα του ενζύμου. Αντί να διατηρείται συνεχής ακτινοβολία υπερήχων, η εφαρμογή μιας σύντομης φάσης ενεργοποίησης 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 αποικοδόμησης, όπως το TA και το MHET. Αυτή η σύντομη έκρηξη ακουστικής ενέργειας πιθανώς βελτιώνει την κινητικότητα του ενζύμου, ενισχύει τη διαφασική διαβροχή και τροποποιεί προσωρινά την επιφάνεια του πολυμερούς ώστε να ευνοείται η καταλυτική σύνδεση χωρίς να μετουσιωθεί η πρωτεΐνη. Με τον διαχωρισμό της εισροής υψηλής ενέργειας από το συνολικό χρονοδιάγραμμα της αντίδρασης, η συνέργεια υπερήχων-κουτινάσης προσφέρει σημαντικά οφέλη στην αποδοτικότητα της αποπολυμερισμού, διατηρώντας παράλληλα τη σταθερότητα του βιοκαταλύτη και μειώνοντας τη συνολική κατανάλωση ενέργειας της διαδικασίας.
Μορφολογία υποστρώματος και επεκτασιμότητα της διαδικασίας
Η επιτυχία της ενζυματικής ανακύκλωσης PET με τη βοήθεια υπερήχων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη γεωμετρία και τη φυσική μορφή του υποστρώματος, με τα υποστρώματα σε μορφή σκόνης να παρουσιάζουν σταθερά καλύτερες επιδόσεις σε σχέση με τις συνεχείς μεμβράνες. 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 μια πολύ μεγαλύτερη και πιο προσβάσιμη επιφάνεια για την ενζυματική υδρόλυση. Ενώ οι σκόνες χαμηλής κρυσταλλικότητας (π.χ. 8%) παρουσιάζουν ταχεία και ισχυρή αποικοδόμηση, ακόμη και δομημένα υποστρώματα όπως οι μεμβράνες PET με κρυσταλλικότητα 7% παρουσιάζουν μετρήσιμα οφέλη, όπως 1,2-πλάσια βελτίωση στην απελευθέρωση TA κατά τη διάρκεια παρατεταμένων περιόδων αντίδρασης 72 ωρών. Αυτές οι μορφολογικές εξαρτήσεις υπογραμμίζουν την ανάγκη προσαρμογής των παραμέτρων των υπερήχων στα χαρακτηριστικά του υποστρώματος, αποδεικνύοντας ότι η στρατηγική εφαρμογή υπερήχων μπορεί να γεφυρώσει αποτελεσματικά την ενζυματική ανακύκλωση σε εργαστηριακή κλίμακα με την επεκτάσιμη και βιομηχανικά βιώσιμη αξιοποίηση των πλαστικών αποβλήτων.
Ο υπερηχητικός καθαρισμός βελτιώνει την αποπολυμερισμό του πολυαιθυλενοτερεφθαλικού (PET) για αποτελεσματική ανακύκλωση
Επεξεργαστές υπερήχων υψηλής απόδοσης για ενζυματικές αντιδράσεις
Hielscher Υπέρηχοι είναι μακροχρόνια εμπειρία στο σχεδιασμό, κατασκευή και διανομή υπερήχων υψηλής απόδοσης για εφαρμογές ισχύος στο εργαστήριο και τη βιομηχανία. Η γνώση και η εμπειρία μας στην εξελιγμένη επεξεργασία υπερήχων είναι μέρος της προσφοράς που παρέχουμε στους πελάτες μας.
Καθοδηγούμε τους πελάτες μας από την πρώτη διαβούλευση σχετικά με τις δοκιμές σκοπιμότητας και τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας έως την τελική εγκατάσταση και λειτουργία του συστήματος υπερήχων σας.
Οι επακριβώς ελεγχόμενες συσκευές υπερήχων μας επιτρέπουν να επηρεάσουν την ενζυμική δραστηριότητα, την κινητική, τις θερμοδυναμικές ιδιότητες καθώς και τη θερμοκρασία επεξεργασίας.
Το χαρτοφυλάκιό μας ισχυρών και αξιόπιστων επεξεργαστών υπερήχων καλύπτει το πλήρες φάσμα από τη συμπαγή φορητή εργαστηριακή συσκευή έως τους πάγκους και πλήρως βιομηχανικούς επεξεργαστές. Από 200 watt και πάνω, όλες οι συσκευές υπερήχων είναι εξοπλισμένες με ψηφιακή οθόνη αφής, έξυπνο λογισμικό, απομακρυσμένο έλεγχο προγράμματος περιήγησης και αυτόματο πρωτόκολλο δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD. Η ατομικά ρυθμιζόμενη λειτουργία κύκλου υπερήχων (λειτουργία παλμών) επιτρέπει τη ρύθμιση και τον έλεγχο της έκθεσης στο ένζυμο (χρόνος και περίοδοι ανάπαυσης) στη θεραπεία με υπερήχους. Η ευρωστία του υπερηχητικού εξοπλισμού Hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέα καθήκοντα και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100Η |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL / λεπτό | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000hdT |
| μ.δ. | 10 έως 100L / λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Σχετικά με την Enzymatic Plastic Recycling
Το ένζυμο υδρόλυση κομπόστ φύλλων-κλαδιών cutinase (LLC) εμφανίζεται στη φύση και κόβει τους δεσμούς μεταξύ των δύο δομικών στοιχείων του τερεφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET), του τερεφθαλικού και της αιθυλενογλυκόλης. Ωστόσο, η συνολική αποτελεσματικότητα του ενζύμου και η ευαισθησία του στη θερμότητα είναι περιοριστικοί παράγοντες αντίδρασης, οι οποίοι μειώνουν σημαντικά την αποδοτικότητα της διαδικασίας. Το ένζυμο cutinase κομπόστ φύλλων αρχίζει να αποικοδομείται στους 65 ° C, ενώ οι διεργασίες αποδόμησης του PET απαιτούν θερμοκρασίες 72 ° C ή υψηλότερες, τη θερμοκρασία στην οποία το PET αρχίζει να λιώνει. Το λιωμένο PET είναι σημαντικός παράγοντας διεργασίας, δεδομένου ότι το τήγμα προσφέρει μεγαλύτερη επιφάνεια όπου το ένζυμο μπορεί να εργαστεί.
Οι ερευνητές έχουν επανασχεδιάσει το φυσικό ένζυμο cutinase κομπόστ κλαδιών φύλλων και άλλαξαν τα αμινοξέα στις θέσεις πρόσδεσής του. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ένα μεταλλαγμένο ένζυμο που παρουσιάζει αυξημένη δραστηριότητα κατά 10.000 φορές στο σπάσιμο των δεσμών PET (σε σύγκριση με το φυσικό ένζυμο LLC) και σημαντικά βελτιωμένη σταθερότητα θερμότητας. Αυτό σημαίνει ότι το νέο μεταλλαγμένο ένζυμο δεν διασπάται στους 72 ° C, τη θερμοκρασία στην οποία το PET αρχίζει να λιώνει.
Υπερήχων διασπορά και επιφανειακή ενεργοποίηση προωθεί ενζυματικά οδηγείται καταλυτική αντίδραση. Συγκεκριμένες παράμετροι υπερήχων όπως το πλάτος υπερήχων, ο χρόνος, η θερμοκρασία και η πίεση μπορούν να συντονιστούν ακριβώς στον τύπο του ενζύμου για να αυξήσουν την καταλυτική του δραστηριότητα. Οι παράμετροι επεξεργασίας υπερήχων και οι επιδράσεις τους στα ένζυμα εξαρτώνται από τον συγκεκριμένο τύπο ενζύμου, τη σύνθεση αμινοξέων και τη δομή διαμόρφωσης. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε τύπος ενζύμου έχει βέλτιστες συνθήκες διεργασίας υπό τις οποίες επιτυγχάνεται η βέλτιστη ενεργοποίηση του ενζύμου.
Υπερήχων διασπορά του ενζύμου και του υποστρώματος
Υπερήχων παραγόμενη διάτμηση και μικρο-αναταράξεις είναι γνωστή για την υψηλή αποτελεσματικότητά τους όταν πρόκειται για εφαρμογές διασποράς. Η υπερηχητικά επαγόμενη διασπορά των συσσωματωμάτων ενζύμων καθώς και των συσσωματωμάτων υποστρώματος βελτιώνει την ενζυματική καταλυτική δραστηριότητα, καθώς η διάσπαση των μοριακών συσσωματωμάτων και συσσωματωμάτων αυξάνει την ενεργή επιφάνεια μεταξύ των ενζύμων και του υποστρώματος για αντίδραση.
Υπερήχων προωθείται ένζυμο cutinase
Κατεργασία με υπερήχους έχει δείξει καλά αποτελέσματα στην ενεργοποίηση του ενζύμου utinase Thc_Cut1 σε σχέση με τη δραστηριότητα υδρόλυσης PET. Η υπερηχητικά ενισχυμένη ενζυματική αποικοδόμηση του PET είχε ως αποτέλεσμα μια αύξηση 6,6 φορές των απελευθερωμένων προϊόντων αποικοδόμησης σε σύγκριση με το μη επεξεργασμένο PET. Η αύξηση του κρυσταλλικού ποσοστού (28%) της σκόνης και των μεμβρανών PET είχε ως αποτέλεσμα χαμηλότερες αποδόσεις υδρόλυσης, οι οποίες θα μπορούσαν να σχετίζονται με τη μειωμένη διαθεσιμότητα της επιφάνειας. (πρβλ. Nikolaivits et al. 2018)
Επιτραπέζιο υπερηχητικό σύστημα UIP1500hdT με κυψέλη ροής για την αποπολυμερισμό του PET με σκοπό την ανακύκλωση
Συχνές ερωτήσεις σχετικά με την ενζυματική αποπολυμερισμό PET με ενίσχυση υπερήχων
Πώς συμβάλλει το υπερηχογράφημα στη βελτίωση της ενζυματικής ανακύκλωσης του PET;
Οι υπερήχοι ενισχύουν την ενζυματική υδρόλυση του πολυ(αιθυλενοτερεφθαλικού) (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 μονομερών σε σύγκριση με τις συμβατικές ενζυματικές 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 υποβλήθηκε σε ενεργοποίηση με υπερήχους.
Επηρεάζει η φυσική μορφή του υποστρώματος PET (σκόνη ή μεμβράνη) την αποτελεσματικότητα του υπερήχου;
Ναι, η φυσική μορφή του υποστρώματος επηρεάζει σημαντικά τα αποτελέσματα. Η ενεργοποίηση με υπερήχους είναι περίπου τρεις φορές πιο αποτελεσματική στις σκόνες PET σε σύγκριση με τις μεμβράνες. Η διαφορά αυτή αποδίδεται κυρίως στη μεγαλύτερη επιφάνεια που διατίθεται για ενζυμική δράση στα υποστρώματα σε μορφή σκόνης, σε σύγκριση με τις συνεχείς μεμβράνες.
Ποιο ένζυμο χρησιμοποιείται συνήθως στην αποικοδόμηση PET με τη βοήθεια υπερήχων;
Το ένζυμο Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1) χρησιμοποιείται ευρέως σε διεργασίες υδρόλυσης PET που ενεργοποιούνται με υπερήχους. Αυτός ο βιοκαταλύτης παρουσιάζει αυξημένη δραστικότητα όταν η αντίδραση ξεκινά με μια σύντομη εκπομπή ενέργειας υπερήχων.
Μήπως η υπερηχητική επεξεργασία ευνοεί άλλες οδούς αποπολυμερισμού του PET;
Ναι, ο υπερηχητικός ισχύος υποστηρίζει αλκαλική, όξινη ή ουδέτερη υδρόλυση· γλυκόλυση με αιθυλενογλυκόλη· μεθανολύση· καταλυτική σολβολύση· καθώς και ενζυματική υδρόλυση PET.
Μάθετε πώς η υπερηχητική επεξεργασία ενισχύει την αλκαλική υδρόλυση του PET!
Τι είναι η Ακουστική Σπηλαίωση;
Χαμηλής συχνότητας, υψηλής έντασης υπερήχους (περίπου 20 – 50kHz) προκαλεί ακουστική / υπερηχητική σπηλαίωση που παράγει φυσικά, μηχανικά και χημικά αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα της ακουστικής σπηλαίωσης μπορούν να παρατηρηθούν ως ο σχηματισμός, η ανάπτυξη και η επακόλουθη βίαιη κατάρρευση των λεπτών φυσαλίδων κενού, οι οποίες συμβαίνουν λόγω των διακυμάνσεων της πίεσης των κυμάτων υπερήχων που συνδέονται με ένα υγρό. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης των φυσαλίδων σπηλαίωσης, εμφανίζονται τα λεγόμενα θερμά σημεία, τα οποία περιορίζονται σε μικρό χώρο και μικρή διάρκεια. Αυτά τα τοπικά θερμά σημεία χαρακτηρίζονται από έντονη θέρμανση τουλάχιστον 5000 K, πιέσεις έως 1200 bar και διαφορές υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης που εμφανίζονται εντός χιλιοστών του δευτερολέπτου. Σταγονίδια και σωματίδια του υγρού επιταχύνονται σε υγρούς πίδακες με ταχύτητες μέχρι 208m/s.
Υπερήχων θεραπεία των ενζύμων βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση και υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης
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.