Recyclage enzymatique des matières plastiques favorisé par les ultrasons

Le polyéthylène téréphtalate (PET) est une énorme source de déchets provenant principalement des bouteilles d'eau et de boissons usagées. Jusqu'à récemment, le recyclage du PET donnait lieu à des plastiques de mauvaise qualité. Une nouvelle enzyme mutante promet la dégradation du PET en matière première vierge, qui peut être utilisée pour fabriquer de nouveaux plastiques de haute qualité. Les enzymes stimulées par ultrasons sont plus efficaces, ce qui accélère le recyclage enzymatique des plastiques et augmente les capacités de traitement.

Ultrasons pour le recyclage enzymatique des matières plastiques

Les ultrasons de haute intensité et de basse fréquence sont bien connus pour leurs effets sur les réactions enzymatiques. La sonication peut être utilisée à la fois pour l'activation et l'inactivation des enzymes. La sonication contrôlée à des amplitudes faibles à moyennes active les enzymes et favorise le transfert de masse entre les enzymes et le substrat, ce qui se traduit par une augmentation de l'activité catalytique des enzymes.
La sonication modifie les caractéristiques des enzymes et favorise ainsi leur activité. Le prétraitement ultrasonique des substrats accélère les réactions enzymatiques.
Le mélange ultrasonique a favorisé le transfert de masse entre les enzymes et le substrat plastique, de sorte que l'enzyme peut pénétrer et dégrader la matière fondue du PET hautement cristallin. En tant que technologie économe en énergie et facile à utiliser, la sonication permet de recycler le PET de manière rentable et respectueuse de l'environnement.

Dispersion ultrasonique de l'enzyme et du substrat

Le cisaillement et les micro-turbulences générés par ultrasons sont bien connus pour leur grande efficacité dans les applications de dispersion. La dispersion des agrégats d'enzymes et des agglomérats de substrats induite par les ultrasons améliore l'activité catalytique enzymatique, car la décomposition des agrégats moléculaires et des agglomérats augmente la surface active entre les enzymes et le substrat pour la réaction.

Enzyme cutinase promue par ultrasons

La sonication a donné de bons résultats dans l'activation de l'enzyme utinase Thc_Cut1 en ce qui concerne son activité d'hydrolyse du PET. La dégradation enzymatique du PET renforcée par les ultrasons a permis de multiplier par 6,6 les produits de dégradation libérés par rapport au PET non traité. L'augmentation du pourcentage de cristaux (28 %) dans la poudre et les films de PET a entraîné des rendements d'hydrolyse plus faibles, ce qui pourrait être lié à la diminution de la disponibilité de la surface. (cf. Nikolaivits et al. 2018)

À propos du recyclage enzymatique des matières plastiques

L'enzyme d'hydrolyse leaf-branch compost cutinase (LLC) existe dans la nature et coupe les liaisons entre les deux éléments constitutifs du polyéthylène téréphtalate (PET), le téréphtalate et l'éthylène glycol. Toutefois, l'efficacité globale de l'enzyme et sa sensibilité à la chaleur sont des facteurs limitant la réaction, ce qui réduit considérablement l'efficacité du processus. L'enzyme cutinase du compost commence à se dégrader à 65°C, tandis que les processus de dégradation du PET nécessitent des températures de 72°C ou plus, la température à laquelle le PET commence à fondre. Le PET fondu est un facteur important du processus, car il offre une plus grande surface sur laquelle l'enzyme peut agir.
Des chercheurs ont remanié l'enzyme cutinase naturelle du compost de la branche des feuilles et ont modifié les acides aminés de ses sites de liaison. Ils ont ainsi obtenu une enzyme mutante dont l'activité de rupture des liaisons PET a été multipliée par 10 000 (par rapport à l'enzyme LLC native) et dont la stabilité à la chaleur a été nettement améliorée. Cela signifie que la nouvelle enzyme mutante ne se décompose pas à 72°C, la température à laquelle le PET commence à fondre.
La dispersion ultrasonique et l'activation de la surface favorisent la réaction catalytique enzymatique. Des paramètres de sonication spécifiques, tels que l'amplitude, la durée, la température et la pression des ultrasons, peuvent être exactement adaptés au type d'enzyme afin d'augmenter son activité catalytique. Les paramètres de traitement ultrasonique et leurs effets sur les enzymes dépendent du type d'enzyme spécifique, de sa composition en acides aminés et de sa structure conformationnelle. Ainsi, chaque type d'enzyme possède des conditions de traitement optimales dans lesquelles une activation optimale de l'enzyme est obtenue.

Processeurs ultrasoniques à haute performance pour les réactions enzymatiques

Hielscher Ultrasonics possède une longue expérience dans la conception, la fabrication et la distribution d'ultrasons de haute performance pour les applications de puissance en laboratoire et dans l'industrie. Nos connaissances et notre expérience en matière de traitement ultrasonique sophistiqué font partie de l'offre que nous proposons à nos clients.
Nous accompagnons nos clients depuis la première consultation jusqu'à l'installation finale et l'exploitation de votre système à ultrasons, en passant par les tests de faisabilité et l'optimisation des processus.
Nos dispositifs ultrasoniques contrôlables avec précision permettent d'influencer l'activité enzymatique, la cinétique, les propriétés thermodynamiques ainsi que la température de traitement.
Notre gamme de processeurs à ultrasons puissants et fiables couvre toute la gamme, de l'appareil de laboratoire compact et portable aux processeurs de paillasse et aux processeurs entièrement industriels. À partir de 200 watts, tous les appareils à ultrasons sont équipés d'un écran tactile numérique, d'un logiciel intelligent, d'une commande à distance par navigateur et d'un enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée. Le mode de cycle de sonication réglable individuellement (mode puls) permet de définir et de contrôler l'exposition des enzymes (temps et périodes de repos) au traitement ultrasonique. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :