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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 bouteilles en plastique usagées produisent de grandes quantités de déchets plastiques. Le traitement ultrasonique-enzymatique est une méthode efficace de recyclage du plastique.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.

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Le traitement par ultrasons, connu sous le nom de sonication, peut favoriser les réactions enzymatiques, par exemple la dégradation enzymatique du plastique pour les applications de recyclage.

Système sonicateur pour l'intensification des réactions enzymatiques

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)

Effets des ultrasons sur les réactions enzymatiques :

  • renforce l'activité enzymatique
  • accélère les réactions enzymatiques
  • permet d'obtenir des réactions plus complètes

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.

Avantages de l'ultrasonication

  • Augmentation du transfert de masse
  • Augmentation de la constante de vitesse
  • Efficacité catalytique accrue
  • Contrôlable avec précision pour répondre aux besoins des enzymes
  • Essais sans risque
  • Évolutivité linéaire
  • Rentabilité
  • sûr et simple à utiliser
  • peu d'entretien
  • Un retour sur investissement rapide
  • respectueux de l'environnement
Réservoir à ultrasons agité pour le traitement par lots

Cuve avec ultrasons de 8kW (4x UIP2000hdT) et l'agitateur

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 :

Volume du lot Débit Dispositifs recommandés
1 à 500mL 10 à 200mL/min UP100H
10 à 2000mL 20 à 400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 à 20L 0.2 à 4L/min UIP2000hdT
10 à 100L 2 à 10L/min UIP4000hdT
n.d. 10 à 100L/min UIP16000
n.d. plus grande groupe de UIP16000

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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour la dispersion, l'émulsification et l'extraction cellulaire.

Homogénéisateurs ultrasoniques haute puissance de laboratoires à pilote et Industriel échelle.



Littérature / Références


Qu'il faut savoir

Forces de cavitation acoustique

Ultrasons à basse fréquence et à haute intensité (environ 20 – 50kHz) provoque une cavitation acoustique/ultrasonique qui produit des effets physiques, mécaniques et chimiques. Les effets de la cavitation acoustique peuvent être observés comme la formation, la croissance et l'effondrement violent ultérieur de minuscules bulles de vide, qui se produisent en raison des fluctuations de pression des ondes ultrasonores couplées à un liquide. Pendant l'implosion des bulles de cavitation, des points chauds se produisent, qui sont limités à un petit espace et à une courte durée. Ces points chauds locaux se caractérisent par un échauffement intense d'au moins 5 000 K, des pressions allant jusqu'à 1 200 bars et des différentiels de température et de pression élevés en l'espace de quelques millisecondes. Les gouttelettes et les particules de liquide sont accélérées en jets de liquide à des vitesses pouvant atteindre 208 m/s.

La cavitation ultrasonique / acoustique crée des forces très intenses qui activent la surface des enzymes et favorisent le transfert de masse entre les enzymes et le substrat (Cliquez pour agrandir !)

Le traitement ultrasonique des enzymes est basé sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.

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