Reciclaje enzimático de plásticos promovido por ultrasonidos

El tereftalato de polietileno (PET) es una enorme fuente de residuos procedentes sobre todo de botellas usadas de agua y bebidas. Hasta hace poco, el reciclado de PET daba lugar a plásticos de baja calidad. Una nueva enzima mutante promete la degradación del PET en materia prima prístina, que puede utilizarse para nuevos plásticos de alta calidad. Las enzimas promovidas por ultrasonidos muestran una mayor eficacia, lo que acelera el reciclado enzimático de plásticos y aumenta la capacidad de los procesos.

Ultrasonidos para el reciclado enzimático de plásticos

Las botellas de plástico usadas producen grandes cantidades de residuos plásticos. El tratamiento ultrasónico-enzimático es un método eficaz de reciclado de plásticos.La ultrasonicación de alta intensidad y baja frecuencia es bien conocida por sus efectos sobre las reacciones enzimáticas. La sonicación puede utilizarse tanto para la activación como para la inactivación de enzimas. La sonicación controlada a amplitudes bajas o medias activa las enzimas y favorece la transferencia de masa entre las enzimas y el sustrato, lo que se traduce en un aumento de la actividad catalítica de las enzimas.
La sonicación modifica las características de las enzimas y favorece su actividad. El pretratamiento ultrasónico de los sustratos acelera las reacciones enzimáticas.
La mezcla ultrasónica favorece la transferencia de masa entre las enzimas y el sustrato plástico, de modo que la enzima puede penetrar y degradar la masa fundida de PET altamente cristalino. Como tecnología de bajo consumo y fácil manejo, la sonicación ayuda a reciclar el PET de forma rentable y respetuosa con el medio ambiente.

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El tratamiento por ultrasonidos, conocido como sonicación, puede promover reacciones enzimáticas, por ejemplo, la degradación enzimática del plástico para aplicaciones de reciclado.

Sistema sonicador para la intensificación de reacciones enzimáticas

Dispersión ultrasónica de enzima y sustrato

El cizallamiento y las microturbulencias generados por ultrasonidos son bien conocidos por su gran eficacia cuando se trata de aplicaciones de dispersión. La dispersión inducida por ultrasonidos de agregados enzimáticos, así como de aglomerados de sustrato, mejora la actividad catalítica enzimática, ya que la ruptura de agregados y aglomerados moleculares aumenta la superficie activa entre enzimas y sustrato para la reacción.

Enzima Cutinasa Promovida por Ultrasonidos

La sonicación ha mostrado buenos resultados en la activación de la enzima utinasa Thc_Cut1 en lo que respecta a su actividad de hidrólisis del PET. La degradación enzimática del PET mejorada por ultrasonidos dio lugar a un aumento de 6,6 veces de los productos de degradación liberados en comparación con el PET no tratado. Un aumento del porcentaje cristalino (28%) en el polvo y las películas de PET dio lugar a un menor rendimiento de la hidrólisis, lo que podría estar relacionado con la menor disponibilidad de superficie. (cf. Nikolaivits et al. 2018)

Efectos de los ultrasonidos en las reacciones enzimáticas:

  • mejora la actividad enzimática
  • acelera las reacciones enzimáticas
  • da lugar a reacciones más completas

Acerca del reciclado enzimático de plásticos

La enzima hidrolizante cutinasa del compost de rama de hoja (LLC) se encuentra en la naturaleza y corta los enlaces entre los dos componentes básicos del polietileno tereftalato (PET), el tereftalato y el etilenglicol. Sin embargo, la eficacia global de la enzima y su sensibilidad al calor son factores limitantes de la reacción, que reducen significativamente la eficiencia del proceso. La enzima cutinasa del compost de rama de hoja comienza a degradarse a 65°C, mientras que los procesos de degradación del PET requieren temperaturas de 72°C o superiores, temperatura a la que el PET comienza a fundirse. El PET fundido es un factor importante del proceso, ya que la fusión ofrece una mayor superficie sobre la que puede trabajar la enzima.
Los investigadores han rediseñado la enzima cutinasa natural del compost de rama foliar y han cambiado los aminoácidos de sus sitios de unión. El resultado es una enzima mutante cuya actividad para romper los enlaces del PET se ha multiplicado por 10.000 (en comparación con la enzima LLC nativa) y cuya estabilidad al calor ha mejorado significativamente. Esto significa que la nueva enzima mutante no se descompone a 72 °C, la temperatura a la que el PET empieza a fundirse.
La dispersión ultrasónica y la activación de la superficie favorecen la reacción catalítica impulsada por enzimas. Los parámetros específicos de sonicación, como la amplitud ultrasónica, el tiempo, la temperatura y la presión, pueden ajustarse exactamente al tipo de enzima para aumentar su actividad catalítica. Los parámetros de procesamiento ultrasónico y sus efectos sobre las enzimas dependen del tipo específico de enzima, su composición de aminoácidos y la estructura conformacional. Por lo tanto, cada tipo de enzima tiene unas condiciones de proceso óptimas en las que se consigue una activación enzimática óptima.

Beneficios de la ultrasonicación

  • Aumento de la transferencia de masa
  • Aumento de la constante de velocidad
  • Mayor eficacia catalítica
  • Control preciso para alcanzar el punto óptimo de las enzimas
  • Pruebas sin riesgos
  • Escalabilidad lineal
  • Rentable
  • seguro y fácil de manejar
  • Bajo mantenimiento
  • RoI rápido
  • respetuoso con el medio ambiente
Cuba de ultrasonidos agitada para tratamiento por lotes

Tanque con ultrasonidos de 8 kW (4x UIP2000hdT) y agitador

Procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para reacciones enzimáticas

Hielscher Ultrasonics cuenta con una larga experiencia en el diseño, fabricación y distribución de ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones energéticas en laboratorio e industria. Nuestros conocimientos y experiencia en sofisticados procesos ultrasónicos forman parte de la oferta que ofrecemos a nuestros clientes.
Guiamos a nuestros clientes desde la primera consulta, pasando por las pruebas de viabilidad y la optimización de procesos, hasta la instalación final y el funcionamiento de su sistema de ultrasonidos.
Nuestros dispositivos ultrasónicos controlables con precisión permiten influir en la actividad, la cinética y las propiedades termodinámicas de las enzimas, así como en la temperatura de procesamiento.
Nuestra gama de potentes y fiables procesadores de ultrasonidos abarca desde el compacto dispositivo portátil de laboratorio hasta los procesadores de sobremesa y totalmente industriales. A partir de 200 vatios, todos los dispositivos ultrasónicos están equipados con una pantalla táctil digital, software inteligente, control remoto mediante navegador y protocolización automática de datos en una tarjeta SD integrada. El modo de ciclo de sonicación ajustable individualmente (modo puls) permite establecer y controlar la exposición de las enzimas (tiempo y periodos de descanso) al tratamiento ultrasónico. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del loteTasa de flujoDispositivos recomendados
1 a 500 mL10 a 200 mL/min.UP100H
10 a 2000 mL20 a 400 mL/min.UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L0,2 a 4 L/minUIP2000hdT
10 a 100 L2 a 10 L/minUIP4000hdT
n.a.10 a 100 L/minUIP16000
n.a.mayorGrupo de UIP16000

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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para dispersión, emulsificación y extracción celular.

Homogeneizadores ultrasónicos de alta potencia de laboratorio a piloto y Uso industrial escala.



Literatura / Referencias


Información interesante

Fuerzas de cavitación acústica

Ultrasonidos de baja frecuencia y alta intensidad (aprox. 20 – 50kHz) provoca una cavitación acústica / ultrasónica que produce efectos físicos, mecánicos y químicos. Los efectos de la cavitación acústica pueden observarse como la formación, crecimiento y posterior colapso violento de diminutas burbujas de vacío, que se producen debido a las fluctuaciones de presión de las ondas ultrasónicas acopladas en un líquido. Durante la implosión de las burbujas de cavitación, se producen los denominados puntos calientes, que se limitan a un espacio reducido y a una corta duración. Esos puntos calientes que se producen localmente se caracterizan por un calentamiento intenso de al menos 5000 K, presiones de hasta 1200 bar y elevadas diferencias de temperatura y presión que se producen en milisegundos. Las gotas y partículas del líquido se aceleran formando chorros de líquido con velocidades de hasta 208 m/s.

La cavitación ultrasónica / acústica crea fuerzas muy intensas que activan la superficie de las enzimas y favorecen la transferencia de masa entre las enzimas y el sustrato (¡Haga clic para ampliar!)

El tratamiento ultrasónico de las enzimas se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas

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