Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Reciclaje de plástico enzimático promovido por ultrasonido

El politereftalato de etileno (PET) es una enorme fuente de residuos que proviene principalmente de botellas de agua y bebidas usadas. Hasta hace poco, el reciclaje de PET daba lugar a plásticos de baja calidad. Una nueva enzima mutante promete la degradación del PET en materia prima prístina, que puede ser utilizada para nuevos plásticos de alta calidad. Las enzimas promovidas por ultrasonido muestran una mayor eficiencia, acelerando el reciclaje enzimático de los plásticos y aumentando la capacidad de los procesos.

Ultrasonido para el reciclaje de plástico enzimático

La ecografía de alta intensidad y baja frecuencia es bien conocida por sus efectos en las reacciones enzimáticas. La sonicación puede utilizarse tanto para la activación como para la inactivación de las enzimas. La sonicación controlada a amplitudes bajas a medias activa las enzimas y promueve la transferencia de masa entre las enzimas y el sustrato, lo que da lugar a una mayor actividad catalítica de las enzimas.
La sonicación cambia las características de las enzimas, promoviendo así la actividad de las mismas. El pretratamiento del sustrato con ultrasonidos acelera las reacciones enzimáticas.
La mezcla ultrasónica promovió la transferencia de masa entre las enzimas y el sustrato plástico, para que la enzima pueda penetrar y degradar el derretimiento del PET altamente cristalino. Como una tecnología eficiente en energía y fácil de operar, la sonicación ayuda a reciclar el PET de manera rentable y respetuosa con el medio ambiente.

Dispersión ultrasónica de la enzima y el sustrato

La cizalla generada por ultrasonido y las microturbulencias son bien conocidas por su alta eficiencia cuando se trata de aplicaciones de dispersión. La dispersión inducida por ultrasonidos de agregados de enzimas así como de aglomerados de sustratos mejora la actividad catalítica enzimática, ya que la descomposición de los agregados y aglomerados moleculares aumenta la superficie activa entre las enzimas y el sustrato para la reacción.

Procesador ultrasónico UIP4000hdT, un reactor ultrasónico de 4kW de potencia

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La enzima cutinasa promovida por ultrasonido

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

Efectos ultrasónicos en las reacciones enzimáticas:

  • aumenta la actividad de las enzimas
  • acelera las reacciones enzimáticas
  • resulta en reacciones más completas

Sobre el reciclaje de plásticos enzimáticos

La enzima hidroliza cutinasa de abono de ramas de hoja (LLC) se produce en la naturaleza y corta los enlaces entre los dos bloques de construcción de polietileno tereftalato (PET), tereftalato y etilenglicol. Sin embargo, la eficacia general de la enzima y su sensibilidad al calor son factores limitantes de la reacción, que reducen considerablemente la eficiencia del proceso. La enzima cutinasa de la rama de la hoja comienza a degradarse a 65°C, mientras que los procesos de degradación del PET requieren temperaturas de 72°C o más, la temperatura a la que el PET comienza a fundirse. El PET fundido es un factor de proceso importante ya que la fusión ofrece una mayor superficie en la que la enzima puede trabajar.
Los investigadores han rediseñado la enzima cutinasa de la rama de la hoja que se produce de forma natural y han cambiado los aminoácidos en sus sitios de unión. Esto dio como resultado una enzima mutante que muestra una actividad incrementada 10.000 veces en la ruptura de los enlaces del PET (en comparación con la enzima nativa LLC) y una estabilidad térmica significativamente mejorada. Esto significa que la nueva enzima mutante no se rompe a 72°C, la temperatura a la que el PET comienza a derretirse.
La dispersión ultrasónica y la activación de la superficie promueve la reacción catalítica impulsada por las 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. De este modo, cada tipo de enzima tiene unas condiciones de proceso óptimas en las que se consigue una activación óptima de la enzima.

Beneficios de Ultrasonidos

  • aumento de la transferencia de masa
  • Aumenta la constante de la tasa...
  • Aumento de la eficiencia catalítica
  • Precisamente controlable para cumplir con el punto dulce de las enzimas
  • Pruebas sin riesgo
  • Escalable linealmente
  • económico
  • Seguro y simple de operar
  • Bajo mantenimiento
  • RoI rápido
  • Amigable con el medio ambiente
Tanque ultrasónico agitado para el procesamiento por lotes

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

Procesadores ultrasónicos de alto rendimiento para reacciones enzimáticas

Hielscher Ultrasonics tiene una larga experiencia en el diseño, la fabricación y la distribución de ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones de energía en el laboratorio y la industria. Nuestro conocimiento y experiencia en el sofisticado proceso de ultrasonido es 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 del proceso, hasta la instalación final y el funcionamiento de su sistema de ultrasonidos.
Nuestros dispositivos ultrasónicos controlables con precisión permiten influir en la actividad de las enzimas, la cinética, las propiedades termodinámicas y la temperatura de procesamiento.
Nuestra cartera de potentes y fiables procesadores ultrasónicos cubre toda la gama, desde el dispositivo compacto de laboratorio portátil 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 por navegador y protocolo automático de datos en una tarjeta SD integrada. El modo de ciclo de sonicación ajustable individualmente (modo pulsátil) permite establecer y controlar la exposición de las enzimas (tiempo y períodos de descanso) al tratamiento ultrasónico. La robustez del equipo de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana, en entornos exigentes.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo 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

Ultrasonido de baja frecuencia y alta intensidad (aprox. 20 – 50kHz) causa cavitación acústica / ultrasónica que produce efectos físicos, mecánicos y químicos. Los efectos de la cavitación acústica pueden observarse como la formación, el crecimiento y el posterior colapso violento de minúsculas burbujas de vacío, que se producen debido a las fluctuaciones de presión de las ondas de ultrasonidos acopladas en un líquido. Durante la implosión de las burbujas de cavitación se producen los llamados puntos calientes, que se limitan a un espacio pequeño y de corta duración. Esos puntos calientes que se producen localmente se caracterizan por un intenso calentamiento de al menos 5000 K, presiones de hasta 1200 bares, y altas diferencias de temperatura y presión que se producen en milisegundos. Las gotas y partículas del líquido son aceleradas en chorros de líquido con velocidades de hasta 208m/s.

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

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