بازیافت پلاستیک آنزیمی با تشدید فراصوت

پلی اتیلن ترفتالات (PET) یک منبع زباله بزرگ است که بیشتر از بطری های آب و نوشیدنی استفاده شده به دست می آید. تا همین اواخر، بازیافت PET منجر به پلاستیک های بی کیفیت می شد. یک آنزیم جهش یافته جدید نوید تخریب PET به مواد اولیه بکر را می دهد که می تواند برای پلاستیک های جدید با کیفیت بالا استفاده شود. آنزیم های اولتراسونیک ترویج نشان می دهد بهره وری بالاتر, سرعت بخشیدن به بازیافت آنزیمی از پلاستیک و افزایش ظرفیت فرآیند.

چگونه اولتراسوند قدرت بازیافت آنزیمی PET را تشدید می کند

• سطح قابل دسترس بسترهای PET را به شدت افزایش می دهد و باعث می شود که فرم های پودری به طور قابل توجهی نسبت به فیلم های جامد به بیوکاتالیز واکنش بیشتری نشان دهند.
• اثرات بازدارندگی بلورینگی پلیمر را کاهش می‌دهد و به PET با کریستالی پایین اجازه می‌دهد تا با سرعت‌های تسریع‌شده هیدرولیز شود.
• به عنوان یک محرک فعال سازی هدفمند عمل می کند، جایی که فراصوت اولیه به طور چشمگیری آزادسازی مونومرهایی مانند اسید ترفتالیک (TA) و MHET را افزایش می دهد.
• انتقال جرم و تماس سطحی بین آنزیم و پلیمر را بدون نیاز به پیش تیمارهای حرارتی یا شیمیایی سخت افزایش می دهد.
• با محدود کردن انرژی اولتراسونیک به یک فاز فعال سازی کوتاه به جای شرایط واکنش مداوم، نیاز کلی انرژی را کاهش می دهد.

غلبه بر موانع فیزیکی از طریق کاوی‌سازی صوتی

پلی (اتیلن ترفتالات) (PET) به دلیل وزن مولکولی بالا، آبگریزی و معماری نیمه کریستالی که به طور طبیعی نفوذ آنزیم و تماس کاتالیزوری را محدود می کند، مقاومت قابل توجهی در بازیافت بیولوژیکی نشان می دهد. تابش اولتراسونیک به طور موثر این محدودیت‌های فیزیکی را با ایجاد کاویتاسیون صوتی از بین می‌برد، که ریز اختلاط موضعی، نیروهای برشی مکانیکی و نوسانات حرارتی کنترل‌شده را در سطح مشترک پلیمر-حلال ایجاد می‌کند. این انرژی صوتی ماتریس پلیمری را متورم می‌کند، حوزه‌های کریستالی سفت و سخت را مختل می‌کند و سطح موجود برای اتصال بیوکاتالیست را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. با تهویه فیزیکی بستر قبل یا در حین هیدرولیز در مراحل اولیه، فراصوت تاثیر منفی کریستالیته را خنثی می کند و ریزمحیط مطلوب تری برای حمله آنزیمی ایجاد می کند و پایه ای بسیار کارآمد برای پلیمریزاسیون پایدار ایجاد می کند.

فعال سازی سینرژیک بیوکاتالیست های کوتیناز

ادغام اولتراسوند قدرت با آنزیم های کوتیناز، به ویژه Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1)، یک رابطه هم افزایی قدرتمند را نشان می دهد که گردش کاتالیزوری را به حداکثر می رساند و در عین حال یکپارچگی آنزیم را حفظ می کند. به جای حفظ تابش مداوم اولتراسونیک، اعمال یک فاز فعال سازی مختصر 10 دقیقه ای در شروع هیدرولیز، سیستم را آماده می کند، که منجر به افزایش قابل توجه 5.2 تا 6.6 برابری در انتشار محصولات تخریب مانند TA و MHET می شود. این انفجار کوتاه انرژی صوتی احتمالاً تحرک آنزیم را بهبود می بخشد، رطوبت سطحی را افزایش می دهد و به طور موقت سطح پلیمر را تغییر می دهد تا اتصال کاتالیزوری را بدون دناتوره کردن پروتئین بهبود بخشد. با جدا کردن ورودی انرژی بالا از کل جدول زمانی واکنش، هم‌افزایی فراصوت-کوتیناز دستاوردهای قابل‌توجهی در راندمان دپلیمریزاسیون و در عین حال حفظ پایداری بیوکاتالیست و کاهش مصرف انرژی کلی فرآیند ایجاد می‌کند.

مورفولوژی بستر و مقیاس پذیری فرآیند

موفقیت بازیافت آنزیمی PET با کمک اولتراسونیک به شدت تحت تأثیر هندسه بستر و شکل فیزیکی است، با لایه‌های پودری که به طور مداوم بر فیلم‌های پیوسته بهتر عمل می‌کنند. مطالعات نشان می‌دهد که فعال‌سازی اولتراسوند در مقایسه با فیلم‌ها، تقریباً سه برابر مؤثرتر بر روی پودرهای PET است، عمدتاً به این دلیل که مورفولوژی دانه‌ای سطح بسیار بزرگ‌تری و در دسترس‌تری برای هیدرولیز آنزیمی فراهم می‌کند. در حالی که پودرهای با کریستالیته پایین (به عنوان مثال، 8٪) تجزیه سریع و قوی را نشان می دهند، حتی بسترهای ساختاری مانند فیلم های PET کریستالی 7٪ مزایای قابل اندازه گیری را نشان می دهند، مانند بهبود 1.2 برابری در انتشار TA در طول دوره های طولانی واکنش 72 ساعته. این وابستگی‌های مورفولوژیکی ضرورت تنظیم پارامترهای اولتراسونیک را برای ویژگی‌های بستر برجسته می‌کند، و ثابت می‌کند که فراصوت استراتژیک می‌تواند به طور موثر بازیافت آنزیمی در مقیاس آزمایشگاهی را با ارزش‌گذاری زباله‌های پلاستیکی مقیاس‌پذیر و قابل دوام صنعتی، پل کند.

پردازنده های اولتراسونیک با کارایی بالا برای واکنش های آنزیمی

Hielscher اولتراسونیک طولانی مدت در طراحی، ساخت و توزیع ultrasonicators با کارایی بالا برای کاربردهای قدرت در آزمایشگاه و صنعت تجربه است. دانش و تجربه ما در پردازش اولتراسونیک پیچیده بخشی از پیشنهادی است که ما به مشتریان خود ارائه می دهیم.
ما مشتریان خود را از اولین مشاوره در مورد آزمایش امکان سنجی و بهینه سازی فرآیند تا نصب و راه اندازی نهایی سیستم اولتراسونیک شما راهنمایی می کنیم.
دستگاه های اولتراسونیک دقیقا قابل کنترل ما اجازه می دهد تا فعالیت آنزیم، سینتیک، خواص ترمودینامیکی و همچنین دمای پردازش را تحت تأثیر قرار دهند.
مجموعه پردازنده های اولتراسونیک قدرتمند و قابل اعتماد ما طیف کاملی از دستگاه آزمایشگاهی دستی جمع و جور گرفته تا پردازنده های نیمکت بالا و کاملا صنعتی را پوشش می دهد. از 200 وات به بالا، تمام دستگاه های اولتراسونیک مجهز به صفحه نمایش لمسی دیجیتال، نرم افزار هوشمند، کنترل مرورگر از راه دور و پروتکل خودکار داده ها بر روی یک کارت SD یکپارچه هستند. حالت چرخه فراصوت قابل تنظیم جداگانه (حالت پالس) اجازه می دهد تا برای تنظیم و کنترل قرار گرفتن در معرض آنزیم (زمان و دوره استراحت) به درمان اولتراسونیک. استحکام تجهیزات اولتراسونیک Hielscher را اجازه می دهد تا برای عملیات 24/7 در وظیفه سنگین و در محیط های خواستار.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:

درباره بازیافت پلاستیک آنزیمی

آنزیم هیدرولیز کمپوست شاخه برگی کوتیناز (LLC) در طبیعت وجود دارد و پیوندهای بین دو بلوک سازنده پلی اتیلن ترفتالات (PET)، ترفتالات و اتیلن گلیکول را قطع می کند. با این حال، اثربخشی کلی آنزیم و حساسیت به حرارت آن از عوامل محدود کننده واکنش هستند که کارایی فرآیند را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند. آنزیم کوتیناز کمپوست شاخه برگ در دمای 65 درجه سانتیگراد شروع به تجزیه می کند، در حالی که فرآیندهای تخریب PET به دمای 72 درجه سانتیگراد یا بالاتر نیاز دارند، دمایی که در آن PET شروع به ذوب شدن می کند. PET مذاب عامل مهم فرآیند است زیرا مذاب سطح بالاتری را ارائه می دهد که آنزیم می تواند روی آن کار کند.
محققان آنزیم کوتیناز کمپوست شاخه برگ طبیعی را دوباره مهندسی کرده و اسیدهای آمینه را در محل اتصال آن تغییر داده اند. این منجر به یک آنزیم جهش یافته شد که افزایش فعالیت 10,000 برابر در شکستن پیوندهای PET (در مقایسه با آنزیم LLC بومی) و پایداری گرما را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. این بدان معناست که آنزیم جهش یافته جدید در دمای 72 درجه سانتیگراد، دمایی که PET شروع به ذوب شدن می کند، تجزیه نمی شود.
پراکندگی اولتراسونیک و فعال سازی سطح باعث واکنش کاتالیزوری آنزیمی می شود. پارامترهای فراصوت خاص مانند دامنه اولتراسونیک، زمان، دما و فشار را می توان دقیقا به نوع آنزیم تنظیم برای افزایش فعالیت کاتالیزوری آن. پارامترهای پردازش اولتراسونیک و اثرات آنها بر روی آنزیم ها به نوع آنزیم خاص، ترکیب اسید آمینه و ساختار ساختاری آن بستگی دارد. بنابراین، هر نوع آنزیم دارای شرایط فرآیندی بهینه ای است که تحت آن فعال سازی بهینه آنزیم حاصل می شود.

پراکندگی التراسونیک آنزیم و بستر

برش مافوق صوت تولید و میکرو تلاطم به خوبی برای راندمان بالا خود را که آن را به برنامه های پراکنده می آید شناخته شده. پراکندگی ناشی از التراسونیک از سنگدانه های آنزیم و همچنین از آگلومراهای بستر را بهبود می بخشد فعالیت کاتالیزوری آنزیمی از تجزیه سنگدانه های مولکولی و agglomerates را افزایش می دهد سطح فعال بین آنزیم ها و بستر برای واکنش.

التراسونیک ترویج آنزیم cutinase

فراصوت نتایج خوبی در فعال سازی آنزیم utinase Thc_Cut1 با توجه به فعالیت هیدرولیز PET آن نشان داده است. تخریب آنزیمی PET افزایش یافته توسط التراسونیک منجر به افزایش 6.6 برابری محصولات تخریب آزاد شده در مقایسه با PET درمان نشده شد. افزایش درصد کریستالی (28 درصد) پودر و فیلم های PET منجر به کاهش بازده هیدرولیز شد که می تواند مربوط به کاهش قابلیت دسترسی سطحی باشد. (رجوع کنید به Nikolaivits و همکاران 2018)