بازیافت آنزیمی پلاستیک با تشدید فراصوتی

پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) یکی از منابع عمدهٔ پسماند است که بیشتر از بطری‌های مصرف‌شدهٔ آب و نوشیدنی‌ها حاصل می‌شود. تا همین اواخر، بازیافت PET به تولید پلاستیک‌هایی با کیفیت پایین منجر می‌شد. یک آنزیم جهش‌یافتهٔ جدید نویدبخش تجزیهٔ PET به مادهٔ اولیهٔ بکر است که می‌توان از آن برای تولید پلاستیک‌های جدید با کیفیت بالا استفاده کرد. آنزیم‌هایی که عملکردشان با فراصوت تقویت شده است، بازده بالاتری نشان می‌دهند و با تسریع بازیافت آنزیمی پلاستیک‌ها، ظرفیت فرایند را افزایش می‌دهند.

فراصوت پرتوان چگونه بازیافت آنزیمی PET را تشدید می‌کند

• مساحت سطح در دسترس سوبستراهای PET را به‌شدت افزایش می‌دهد و موجب می‌شود شکل‌های پودری در مقایسه با فیلم‌های جامد، پاسخ بسیار بهتری به زیست‌کاتالیز بدهند.
• اثرات بازدارندهٔ بلورینگی پلیمر را کاهش می‌دهد و امکان هیدرولیز سریع‌تر PET با بلورینگی پایین را فراهم می‌کند.
• به‌عنوان محرک هدفمند فعال‌سازی عمل می‌کند؛ به‌طوری‌که فراصوت‌دهی کوتاه در آغاز فرایند، آزادسازی مونومرهایی مانند اسید ترفتالیک (TA) و MHET را به‌شدت افزایش می‌دهد.
• انتقال جرم و تماس بین‌سطحی میان آنزیم و پلیمر را بدون نیاز به پیش‌تیمارهای حرارتی یا شیمیایی شدید بهبود می‌بخشد.
• با محدودکردن اعمال انرژی فراصوتی به یک مرحلهٔ کوتاه فعال‌سازی، به‌جای اعمال پیوستهٔ آن در طول واکنش، نیاز کلی به انرژی را کاهش می‌دهد.

غلبه بر موانع فیزیکی با کاویتاسیون آکوستیکی

پلی(اتیلن ترفتالات) (PET) به‌دلیل وزن مولکولی بالا، آب‌گریزی و ساختار نیمه‌بلوری خود، مقاومت چشمگیری در برابر بازیافت زیستی دارد؛ این ویژگی‌ها به‌طور طبیعی نفوذ آنزیم و تماس کاتالیزی را محدود می‌کنند. تابش فراصوت با ایجاد کاویتاسیون آکوستیکی، که ریزاختلاط موضعی، نیروهای برشی مکانیکی و نوسان‌های حرارتی کنترل‌شده را در فصل مشترک پلیمر و حلال ایجاد می‌کند، این محدودیت‌های فیزیکی را به‌طور مؤثر برطرف می‌سازد. این انرژی آکوستیکی ماتریس پلیمر را متورم می‌کند، نظم نواحی بلوری صلب را برهم می‌زند و مساحت سطح در دسترس برای اتصال زیست‌کاتالیزور را به‌شدت افزایش می‌دهد. فراصوت‌دهی با آماده‌سازی فیزیکی سوبسترا پیش از هیدرولیز یا در مراحل اولیهٔ آن، اثر منفی بلورینگی را خنثی می‌کند و ریزمحیط مساعدتری برای حملهٔ آنزیمی پدید می‌آورد؛ در نتیجه، بستری بسیار کارآمد برای دپلیمریزاسیون پایدار فراهم می‌شود.

فعال‌سازی هم‌افزای زیست‌کاتالیزورهای کوتیناز

ترکیب فراصوت پرتوان با آنزیم‌های کوتیناز، به‌ویژه Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1)، رابطهٔ هم‌افزای قدرتمندی نشان می‌دهد که ضمن حفظ یکپارچگی آنزیم، گردش کاتالیزی را به حداکثر می‌رساند. به‌جای تداوم تابش فراصوت، اعمال یک مرحلهٔ کوتاه فعال‌سازی به‌مدت 10 دقیقه در آغاز هیدرولیز، سامانه را آماده می‌کند و به افزایش چشمگیر 5٫2 تا 6٫6 برابری آزادسازی محصولات تجزیه مانند TA و MHET می‌انجامد. این اعمال کوتاه‌مدت انرژی آکوستیکی احتمالاً تحرک آنزیم را بهبود می‌بخشد، ترشوندگی بین‌سطحی را افزایش می‌دهد و سطح پلیمر را به‌طور موقت به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که بدون واسرشت‌کردن پروتئین، اتصال کاتالیزی تسهیل شود. با جداکردن مرحلهٔ ورود انرژی زیاد از کل زمان واکنش، هم‌افزایی فراصوت‌دهی و کوتیناز ضمن حفظ پایداری زیست‌کاتالیزور و کاهش مصرف کلی انرژی فرایند، بازده دپلیمریزاسیون را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

ریخت‌شناسی سوبسترا و مقیاس‌پذیری فرایند

موفقیت بازیافت آنزیمی PET به کمک فراصوت، به‌شدت تحت تأثیر هندسه و شکل فیزیکی سوبسترا قرار دارد و سوبستراهای پودری به‌طور مداوم عملکرد بهتری از فیلم‌های پیوسته نشان می‌دهند. مطالعات نشان می‌دهند که فعال‌سازی با فراصوت روی پودرهای PET تقریباً سه برابر مؤثرتر از فیلم‌هاست؛ دلیل اصلی آن است که ریخت‌شناسی دانه‌ای، مساحت سطح بسیار بزرگ‌تر و دسترس‌پذیرتری برای هیدرولیز آنزیمی فراهم می‌کند. درحالی‌که پودرهای با بلورینگی پایین، مانند 8%، تجزیهٔ سریع و چشمگیری نشان می‌دهند، حتی سوبستراهای ساختاریافته‌ای مانند فیلم‌های PET با بلورینگی 7% نیز مزایای قابل‌اندازه‌گیری دارند؛ از جمله بهبود 1٫2 برابری آزادسازی TA طی دوره‌های طولانی واکنش به‌مدت 72 ساعت. این وابستگی‌ها به ریخت‌شناسی، ضرورت تنظیم پارامترهای فراصوتی متناسب با ویژگی‌های سوبسترا را برجسته می‌کنند و نشان می‌دهند که فراصوت‌دهی هدفمند می‌تواند به‌طور مؤثر میان بازیافت آنزیمی در مقیاس آزمایشگاهی و تبدیل مقیاس‌پذیر پسماند پلاستیکی به مواد باارزش و عملی در صنعت، پیوند برقرار کند.

پردازشگرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای واکنش‌های آنزیمی

Hielscher Ultrasonics سابقه‌ای طولانی در طراحی، ساخت و توزیع دستگاه‌های فراصوت با عملکرد بالا برای کاربردهای پرتوان در آزمایشگاه و صنعت دارد. دانش و تجربهٔ ما در پردازش پیشرفتهٔ فراصوتی، بخشی از خدماتی است که به مشتریان خود ارائه می‌دهیم.
ما مشتریان خود را از مشاورهٔ اولیه، آزمون‌های امکان‌سنجی و بهینه‌سازی فرایند تا نصب نهایی و بهره‌برداری از سامانهٔ فراصوتی‌شان همراهی می‌کنیم.
دستگاه‌های فراصوتی ما با قابلیت کنترل دقیق، امکان اثرگذاری بر فعالیت آنزیم، سینتیک، خواص ترمودینامیکی و همچنین دمای پردازش را فراهم می‌کنند.
مجموعهٔ پردازشگرهای فراصوتی قدرتمند و قابل‌اعتماد ما، طیف کاملی از دستگاه آزمایشگاهی جمع‌وجور قابل نگه‌داشتن در دست تا پردازشگرهای رومیزی و کاملاً صنعتی را پوشش می‌دهد. از توان 200 وات به بالا، همهٔ دستگاه‌های فراصوتی به نمایشگر لمسی دیجیتال، نرم‌افزار هوشمند، کنترل از راه دور از طریق مرورگر و ثبت خودکار داده‌ها روی کارت SD داخلی مجهز هستند. حالت چرخه‌ای فراصوت‌دهی با قابلیت تنظیم مستقل (حالت پالسی)، امکان تنظیم و کنترل مواجههٔ آنزیم با تیمار فراصوتی، شامل زمان مواجهه و دوره‌های استراحت، را فراهم می‌کند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار فراهم می‌سازد.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوت ما ارائه می‌دهد:

دربارهٔ بازیافت آنزیمی پلاستیک

آنزیم هیدرولیزکنندهٔ کوتینازِ کمپوست برگ و شاخه (LLC) در طبیعت وجود دارد و پیوندهای میان دو جزء سازندهٔ پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)، یعنی ترفتالات و اتیلن گلیکول، را می‌شکند. بااین‌حال، اثربخشی کلی آنزیم و حساسیت آن به گرما از عوامل محدودکنندهٔ واکنش هستند که بازده فرایند را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهند. آنزیم کوتینازِ کمپوست برگ و شاخه در 65°C شروع به تجزیه می‌کند، درحالی‌که فرایندهای تجزیهٔ PET به دمای 72°C یا بالاتر نیاز دارند؛ دمایی که در آن PET شروع به ذوب‌شدن می‌کند. PET مذاب عامل مهمی در فرایند است، زیرا مادهٔ مذاب مساحت سطح بیشتری برای عمل آنزیم فراهم می‌کند.
پژوهشگران آنزیم کوتینازِ کمپوست برگ و شاخه را که به‌طور طبیعی وجود دارد، بازمهندسی کرده و اسیدهای آمینهٔ جایگاه‌های اتصال آن را تغییر داده‌اند. حاصل این کار، آنزیمی جهش‌یافته است که فعالیت آن در شکستن پیوندهای PET در مقایسه با آنزیم طبیعی LLC، به‌میزان 10٬000 برابر افزایش یافته و پایداری حرارتی آن نیز به‌طور چشمگیری بهبود یافته است. این بدان معناست که آنزیم جهش‌یافتهٔ جدید در 72°C، یعنی دمایی که PET شروع به ذوب‌شدن می‌کند، تجزیه نمی‌شود.
پراکنش فراصوتی و فعال‌سازی سطح، واکنش کاتالیزی آنزیمی را تقویت می‌کنند. پارامترهای مشخص فراصوت‌دهی مانند دامنهٔ فراصوت، زمان، دما و فشار را می‌توان دقیقاً متناسب با نوع آنزیم تنظیم کرد تا فعالیت کاتالیزی آن افزایش یابد. پارامترهای پردازش فراصوتی و اثرات آن‌ها بر آنزیم‌ها به نوع مشخص آنزیم، ترکیب اسیدهای آمینه و ساختار فضایی آن بستگی دارند. بنابراین، هر نوع آنزیم شرایط بهینهٔ فرایندی خاصی دارد که در آن، فعال‌سازی بهینهٔ آنزیم حاصل می‌شود.

پراکنش فراصوتی آنزیم و سوبسترا

برش و ریزآشفتگی‌های ایجادشده با فراصوت، به کارایی بالای خود در کاربردهای پراکنش شناخته شده‌اند. پراکنش تجمعات آنزیمی و همچنین کلوخه‌های سوبسترا بر اثر فراصوت، فعالیت کاتالیزی آنزیمی را بهبود می‌بخشد؛ زیرا شکستن تجمعات و کلوخه‌های مولکولی، مساحت سطح فعال میان آنزیم‌ها و سوبسترا را برای واکنش افزایش می‌دهد.

آنزیم کوتیناز با عملکرد تقویت‌شده به کمک فراصوت

فراصوت‌دهی در فعال‌سازی آنزیم یوتیناز Thc_Cut1 از نظر فعالیت هیدرولیز PET، نتایج خوبی نشان داده است. تجزیهٔ آنزیمی PET تقویت‌شده با فراصوت، در مقایسه با PET تیمارنشده، به افزایش 6٫6 برابری محصولات تجزیهٔ آزادشده منجر شد. افزایش درصد بلورینگی (28%) در پودر و فیلم‌های PET به بازده پایین‌تر هیدرولیز انجامید که می‌تواند با کاهش سطح در دسترس مرتبط باشد. (رجوع کنید به Nikolaivits et al. 2018)