Ultraheli abil intensiivistatud ensümaatiline plastide ringlussevõtt

Polüetüleentereftalaat (PET) on suur jäätmeallikas, mis pärineb peamiselt kasutatud vee- ja joogipudelitest. Viimase ajani andis PET-i ringlussevõtt madala kvaliteediga plasti. Uus mutantne ensüüm lubab lagundada PET-i puhtaks tooraineks, mida saab kasutada uue kvaliteetse plasti valmistamiseks. Ultraheli abil stimuleeritud ensüümid näitavad suuremat efektiivsust, kiirendades plastide ensümaatilist ringlussevõttu ja suurendades protsessi mahtusid.

Kuidas võimas ultraheli intensiivistab PET-i ensümaatilist ringlussevõttu

• Suurendab drastiliselt PET-substraatide kättesaadavat pindala, muutes pulbervormid biokatalüüsile oluliselt vastuvõtlikumaks kui tahked kiled.
• Leevendab polümeeri kristallilisuse pärssivat mõju, võimaldades madala kristallilisusega PET-il hüdrolüüsuda kiirendatud tempos.
• Toimib sihipärase aktiveeriva käivitajana, kus lühike algne ultraheli töötlus (sonikeerimine) suurendab dramaatiliselt monomeeride, näiteks tereftaalhappe (TA) ja MHET-i vabanemist.
• Parandab massiülekannet ja faasidevahelist kontakti ensüümi ja polümeeri vahel, ilma et oleks vaja karme termilisi või keemilisi eeltöötlusi.
• Vähendab üldist energiavajadust, piirates ultrahelienergia lühikese aktiveerimisfaasiga, mitte pideva reaktsioonitingimusega.

Füüsikaliste tõkete ületamine akustilise kavitatsiooni abil

Poly(etüleentereftalaat) (PET) on bioloogilisele ringlussevõtule märkimisväärselt vastupidav oma suure molekulmassi, hüdrofoobsuse ja poolkristallilise ülesehituse tõttu, mis loomulikul viisil piiravad ensüümi tungimist ja katalüütilist kontakti. Ultraheliga kiiritamine kaotab need füüsikalised piirangud tõhusalt, tekitades akustilist kavitatsiooni, mis põhjustab polümeeri ja lahusti piirpinnal lokaalset mikrosegunemist, mehaanilisi nihkejõude ja kontrollitud termilisi kõikumisi. See akustiline energia paisutab polümeerimaatriksit, lõhub jäigad kristallilised domeenid ja suurendab dramaatiliselt biokatalüsaatori kinnitumiseks saadaolevat pindala. Substraati füüsikaliselt eelnevalt või varase hüdrolüüsi ajal konditsioneerides neutraliseerib ultraheli töötlus (sonikeerimine) kristallilisuse negatiivse mõju ja loob ensümaatiliseks rünnakuks soodsama mikrokeskkonna, luues väga tõhusa aluse jätkusuutlikuks depolümerisatsiooniks.

Kutinaasi biokatalüsaatorite sünergistlik aktiveerimine

Võimsa ultraheli ühendamine kutinaasi ensüümidega, eriti Thermobifida cellulosilytica kutinaas 1-ga (Thc_cut1), näitab võimsat sünergistlikku seost, mis maksimeerib katalüütilist ringlust, säilitades samal ajal ensüümi terviklikkuse. Selle asemel et säilitada pidevat ultraheliga kiiritamist, valmistab lühike 10-minutiline aktiveerimisfaas hüdrolüüsi alguses süsteemi ette, mille tulemuseks on märkimisväärne 5,2- kuni 6,6-kordne lagunemissaaduste, näiteks TA ja MHET-i vabanemise kasv. See lühike akustilise energia impulss parandab tõenäoliselt ensüümi liikuvust, suurendab piirpinna märgumist ja muudab ajutiselt polümeeri pinda, soodustades katalüütilist seondumist ilma valku denatureerimata. Eraldades suure energiasisendi kogu reaktsiooni ajajoonest, annab ultraheli töötluse (sonikeerimise) ja kutinaasi sünergia olulise kasvu depolümerisatsiooni efektiivsuses, säilitades samal ajal biokatalüsaatori stabiilsuse ja vähendades protsessi üldist energiatarbimist.

Substraadi morfoloogia ja protsessi skaleeritavus

Ultraheli abil toetatud ensümaatilise PET-i ringlussevõtu edukust mõjutavad tugevalt substraadi geomeetria ja füüsikaline vorm: pulbrilised substraadid on järjekindlalt tõhusamad kui pidevad kiled. Uuringud näitavad, et ultraheli aktiveerimine on PET-pulbritel ligikaudu kolm korda tõhusam kui kiledel, peamiselt seetõttu, et granuleeritud morfoloogia pakub ensümaatiliseks hüdrolüüsiks tunduvalt suurema ja paremini ligipääsetava pindala. Kuigi madala kristallilisusega pulbrid (nt 8%) lagunevad kiiresti ja tõhusalt, näitavad mõõdetavat kasu isegi struktureeritud substraadid, nagu 7% kristallilisusega PET-kiled, näiteks 1,2-kordse TA vabanemise paranemisena pikendatud 72-tunnise reaktsiooniaja jooksul. Need morfoloogilised sõltuvused rõhutavad vajadust kohandada ultrahelisüsteemi parameetrid substraadi omadustele, tõestades, et strateegiline ultraheli töötlus (sonikeerimine) suudab tõhusalt ühendada laborimastaabis ensümaatilise ringlussevõtu skaleeritava ja tööstuslikult elujõulise plastijäätmete väärindamisega.

Suure jõudlusega ultraheliprotsessorid ensümaatilisteks reaktsioonideks

Hielscher Ultrasonics on pikaajalise kogemusega suure jõudlusega ultrahelihomogenisaatorite (sonikaatorite) kavandamisel, tootmisel ja turustamisel võimsusrakenduste jaoks laboris ja tööstuses. Meie teadmised ja kogemused keerukas ultraheli töötluses on osa pakkumisest, mida oma klientidele võimaldame.
Juhendame oma kliente esimesest konsultatsioonist teostatavusuuringute ja protsessi optimeerimise kaudu teie ultrahelisüsteemi lõpliku paigalduse ja kasutuseni.
Meie täpselt reguleeritavad ultrahelisseadmed võimaldavad mõjutada ensüümi aktiivsust, kineetikat, termodünaamilisi omadusi ning töötlustemperatuuri.
Meie võimsate ja töökindlate ultraheliprotsessorite valik hõlmab kogu vahemikku kompaktsest käeshoitavast laboriseadmest lauaseadmete ja täielikult tööstuslike protsessoriteni. Alates 200 vatist on kõik ultrahelisseadmed varustatud digitaalse puuteekraaniga, intelligentse tarkvaraga, kaugjuhtimisega brauseri kaudu ja automaatse andmete protokollimisega integreeritud SD-kaardile. Individuaalselt reguleeritav sonikeerimistsükli režiim (impulssrežiim) võimaldab seada ja juhtida ensüümi kokkupuudet (aeg ja puhkeperioodid) ultraheli töötlusega. Hielscheri ultrahelisseadmete töökindlus võimaldab 24/7 tööd suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrahelisseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:

Ensümaatilisest plastide ringlussevõtust

Hüdrolüütiline ensüüm lehe- ja okste komposti kutinaas (LLC) esineb looduses ning lõhub sidemeid polüetüleentereftalaadi (PET) kahe ehituskomponendi, tereftalaadi ja etüleenglükooli vahel. Ensüümi üldine efektiivsus ja kuumustundlikkus on siiski reaktsiooni piiravad tegurid, mis vähendavad protsessi efektiivsust märkimisväärselt. Lehe- ja okste komposti kutinaasi ensüüm hakkab lagunema temperatuuril 65°C, samas kui PET lagundamisprotsessid nõuavad temperatuure 72°C või kõrgemaid, mis on temperatuur, mille juures PET hakkab sulama. Sulanud PET on oluline protsessitegur, sest sulam pakub suuremat pinda, millel ensüüm saab toimida.
Uurijad on loodusliku lehe- ja okste komposti kutinaasi ensüümi ümber projekteerinud ning muutnud aminohappeid selle seondumiskohtades. Tulemuseks oli mutantne ensüüm, mille aktiivsus PET sidemete lõhkumisel on 10 000 korda suurem (võrreldes looduslikku LLC ensüümiga) ja mille kuumustaluvus on märkimisväärselt paranenud. See tähendab, et uus mutantne ensüüm ei lagune temperatuuril 72°C, mille juures PET hakkab sulama.
Ultraheli abil dispergeerimine ja pinna aktiveerimine soodustab ensüümide juhitud katalüütilist reaktsiooni. Konkreetseid ultraheli töötluse (sonikeerimise) parameetreid, nagu ultraheli amplituud, aeg, temperatuur ja rõhk, saab ensüümi tüübile täpselt häälestada, et suurendada selle katalüütilist aktiivsust. Ultraheli töötlusparameetrid ja nende mõju ensüümidele sõltuvad konkreetsest ensüümitüübist, selle aminohappelisest koostisest ja konformatsioonilisest struktuurist. Seega on igal ensüümitüübil optimaalsed protsessitingimused, mille korral saavutatakse ensüümi optimaalne aktiveerimine.

Ensüümi ja substraadi ultraheli dispergeerimine

Ultrahelil tekitatud nihe ja mikroturbulentsid on dispergeerimisrakendustes hästi tuntud oma suure efektiivsuse poolest. Ensüümiagregaatide ja substraadi aglomeraatide ultraheli abil esilekutsutud dispergeerimine parandab ensüümide katalüütilist aktiivsust, sest molekulaarsete agregaatide ja aglomeraatide lagunemine suurendab ensüümide ja substraadi vahelist reaktsiooniks vajalikku aktiivset pinda.

Ultraheli abil edendatud kutinaasi ensüüm

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on andnud häid tulemusi ensüümi utinase Thc_Cut1 aktiveerimisel selle PET hüdrolüüsi aktiivsuse osas. PET ultraheli abil tõhustatud ensüümlagundamine suurendas vabanenud lagunemissaaduste hulka 6,6 korda võrreldes töötlemata PET-ga. Kristalse osa protsendi suurenemine (28%) PET pulbris ja kiledes tõi kaasa madalamad hüdrolüüsisaagised, mis võivad olla seotud vähenenud pinna kättesaadavusega. (vrd Nikolaivits et al. 2018)