અલ્ટ્રાસોનિક રીતે તીવ્ર બનાવેલું એન્ઝાઇમ આધારિત પ્લાસ્ટિક રિસાયક્લિંગ

પોલિઇથિલિન ટેરેફ્થેલેટ (PET) કચરાનો એક વિશાળ સ્રોત છે, જે મુખ્યત્વે પાણી અને પીણાંની વપરાયેલી બોટલોમાંથી આવે છે. તાજેતર સુધી, PET ના રિસાયક્લિંગથી નીચી ગુણવત્તાવાળું પ્લાસ્ટિક મળતું હતું. એક નવું ઉત્પરિવર્તિત એન્ઝાઇમ PET ને એકદમ શુદ્ધ કાચા માલમાં વિઘટિત કરવાની સંભાવના દર્શાવે છે, જેનો ઉપયોગ નવા ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા પ્લાસ્ટિક માટે થઈ શકે છે. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્તેજિત એન્ઝાઇમ વધુ કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે, જેનાથી પ્લાસ્ટિકનું એન્ઝાઇમ આધારિત રિસાયક્લિંગ ઝડપી બને છે અને પ્રક્રિયાની ક્ષમતાઓ વધે છે.

ઉચ્ચ શક્તિના અલ્ટ્રાસાઉન્ડથી એન્ઝાઇમ આધારિત PET રિસાયક્લિંગ કેવી રીતે તીવ્ર બને છે

• PET સબસ્ટ્રેટ્સની સુલભ સપાટીનું ક્ષેત્રફળ મોટા પ્રમાણમાં વધારે છે, જેથી ઘન ફિલ્મોની સરખામણીમાં પાઉડર સ્વરૂપો જૈવઉત્પ્રેરણને નોંધપાત્ર રીતે વધુ પ્રતિસાદ આપે છે.
• પોલિમરની સ્ફટિકીયતાની અવરોધક અસરો ઘટાડે છે, જેથી ઓછી સ્ફટિકીયતાવાળા PET નું જળવિઘટન વધુ ઝડપી દરે થઈ શકે છે.
• લક્ષિત સક્રિયકરણના પ્રેરક તરીકે કાર્ય કરે છે, જેમાં શરૂઆતમાં ટૂંકા સમય માટે કરવામાં આવતું સોનિકેશન ટેરેફ્થેલિક એસિડ (TA) અને MHET જેવા મોનોમરોના મુક્ત થવામાં મોટા પ્રમાણમાં વધારો કરે છે.
• કઠોર ઉષ્મીય અથવા રાસાયણિક પૂર્વઉપચારોની જરૂર વિના એન્ઝાઇમ અને પોલિમર વચ્ચે દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ અને આંતરપૃષ્ઠીય સંપર્ક વધારે છે.
• સતત અભિક્રિયા દરમિયાન અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા આપવાને બદલે તેને ટૂંકા સક્રિયકરણ તબક્કા સુધી મર્યાદિત રાખીને ઊર્જાની એકંદર જરૂરિયાતો ઘટાડે છે.

ધ્વનિક કેવિટેશન દ્વારા ભૌતિક અવરોધો દૂર કરવા

પોલિ(ઇથિલિન ટેરેફ્થેલેટ) (PET) તેના ઊંચા અણુભાર, જલવિરોધી ગુણધર્મ અને અર્ધસ્ફટિકીય સંરચનાને કારણે જૈવિક રિસાયક્લિંગ પ્રત્યે નોંધપાત્ર પ્રતિરોધ દર્શાવે છે, કારણ કે આ ગુણધર્મો સ્વાભાવિક રીતે એન્ઝાઇમના પ્રવેશ અને ઉત્પ્રેરક સંપર્કને મર્યાદિત કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ ધ્વનિક કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરીને આ ભૌતિક મર્યાદાઓને અસરકારક રીતે દૂર કરે છે. આ કેવિટેશન પોલિમર અને દ્રાવકના આંતરપૃષ્ઠ પર સ્થાનિક સૂક્ષ્મમિશ્રણ, યાંત્રિક કર્તન બળો અને નિયંત્રિત ઉષ્મીય વધઘટ ઉત્પન્ન કરે છે. આ ધ્વનિક ઊર્જા પોલિમર મેટ્રિક્સને ફુલાવે છે, કઠોર સ્ફટિકીય પ્રદેશોને વિક્ષેપિત કરે છે અને જૈવઉત્પ્રેરકને જોડાવા માટે ઉપલબ્ધ સપાટીનું ક્ષેત્રફળ મોટા પ્રમાણમાં વધારે છે. જળવિઘટન પહેલાં અથવા તેના પ્રારંભિક તબક્કા દરમિયાન સબસ્ટ્રેટને ભૌતિક રીતે અનુકૂળ બનાવીને સોનિકેશન સ્ફટિકીયતાની નકારાત્મક અસરને નિષ્પ્રભ કરે છે અને એન્ઝાઇમની ક્રિયા માટે વધુ અનુકૂળ સૂક્ષ્મપર્યાવરણ બનાવે છે, જેનાથી ટકાઉ વિબહુલીકરણ માટે અત્યંત કાર્યક્ષમ પાયો સ્થાપિત થાય છે.

ક્યુટિનેઝ જૈવઉત્પ્રેરકોનું સહક્રિયાત્મક સક્રિયકરણ

ઉચ્ચ શક્તિના અલ્ટ્રાસાઉન્ડને ક્યુટિનેઝ એન્ઝાઇમો, ખાસ કરીને Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1), સાથે સંયોજિત કરવાથી એક શક્તિશાળી સહક્રિયાત્મક સંબંધ જોવા મળે છે, જે એન્ઝાઇમની અખંડિતતા જાળવી રાખીને ઉત્પ્રેરક ટર્નઓવરને મહત્તમ કરે છે. સતત અલ્ટ્રાસોનિક વિકિરણ જાળવી રાખવાને બદલે, જળવિઘટનની શરૂઆતમાં 10 મિનિટનો ટૂંકો સક્રિયકરણ તબક્કો લાગુ કરવાથી પ્રણાલી કાર્ય માટે સજ્જ થાય છે, જેના પરિણામે TA અને MHET જેવા વિઘટન ઉત્પાદનોના મુક્ત થવામાં નોંધપાત્ર 5.2 થી 6.6 ગણો વધારો થાય છે. ધ્વનિક ઊર્જાનો આ ટૂંકો પ્રક્ષેપ સંભવતઃ એન્ઝાઇમની ગતિશીલતા સુધારે છે, આંતરપૃષ્ઠીય ભીનાશ વધારે છે અને પ્રોટીનનું વિકૃતીકરણ કર્યા વિના ઉત્પ્રેરક બંધનને અનુકૂળ બનાવવા માટે પોલિમરની સપાટીને કામચલાઉ રીતે બદલે છે. ઊંચા ઊર્જા નિવેશને અભિક્રિયાની સમગ્ર સમયરેખાથી અલગ કરીને, સોનિકેશન અને ક્યુટિનેઝની સહક્રિયા જૈવઉત્પ્રેરકની સ્થિરતા જાળવી રાખે છે અને પ્રક્રિયાનો એકંદર ઊર્જા વપરાશ ઘટાડે છે, સાથે જ વિબહુલીકરણની કાર્યક્ષમતામાં નોંધપાત્ર વધારો કરે છે.

સબસ્ટ્રેટની આકારરચના અને પ્રક્રિયાનું પ્રમાણ વધારવાની ક્ષમતા

અલ્ટ્રાસાઉન્ડની સહાયથી થતા ઉત્સેચકીય PET રિસાયક્લિંગની સફળતા પર સબસ્ટ્રેટની ભૂમિતિ અને ભૌતિક સ્વરૂપનો મોટો પ્રભાવ પડે છે, અને પાઉડર સ્વરૂપનાં સબસ્ટ્રેટ સતત ફિલ્મો કરતાં હંમેશાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે. અભ્યાસો દર્શાવે છે કે ફિલ્મોની સરખામણીમાં PET પાઉડર પર અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા સક્રિયકરણ આશરે ત્રણ ગણું વધુ અસરકારક હોય છે, મુખ્યત્વે કારણ કે દાણાદાર આકારરચના ઉત્સેચકીય જલવિઘટન માટે ઘણું મોટું અને વધુ સુલભ સપાટી ક્ષેત્રફળ પૂરું પાડે છે. ઓછી સ્ફટિકીયતા ધરાવતા પાઉડર (દા.ત., 8%) ઝડપી અને સઘન વિઘટન દર્શાવે છે, ત્યારે 7% સ્ફટિકીય PET ફિલ્મો જેવા સંરચિત સબસ્ટ્રેટ પણ માપી શકાય તેવા લાભ દર્શાવે છે, જેમ કે 72 કલાકના લાંબા પ્રતિક્રિયા સમયગાળા દરમિયાન TAના મુક્ત થવામાં 1.2 ગણો સુધારો. આકારરચના પરની આ નિર્ભરતાઓ સબસ્ટ્રેટનાં લક્ષણો અનુસાર અલ્ટ્રાસોનિક પરિમાણો ગોઠવવાની આવશ્યકતા દર્શાવે છે અને સાબિત કરે છે કે વ્યૂહાત્મક સોનિકેશન પ્રયોગશાળાના પાયે થતા ઉત્સેચકીય રિસાયક્લિંગને મોટા પાયે વિસ્તારી શકાય તેવી, ઔદ્યોગિક રીતે વ્યવહારુ પ્લાસ્ટિક કચરામાંથી મૂલ્યવાન પદાર્થો મેળવવાની પ્રક્રિયા સાથે અસરકારક રીતે જોડી શકે છે.

ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયાઓ માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો

Hielscher Ultrasonics પ્રયોગશાળા અને ઉદ્યોગમાં ઉચ્ચ શક્તિની જરૂરિયાતવાળા ઉપયોગો માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની રચના, ઉત્પાદન અને વિતરણમાં લાંબા સમયનો અનુભવ ધરાવે છે. અદ્યતન અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાકરણ અંગેનું અમારું જ્ઞાન અને અનુભવ અમારા ગ્રાહકોને અમે પૂરી પાડતી સેવાઓનો એક ભાગ છે.
અમે અમારા ગ્રાહકોને પ્રારંભિક પરામર્શથી લઈને વ્યવહાર્યતા પરીક્ષણ અને પ્રક્રિયાના શ્રેષ્ઠીકરણ મારફતે તેમની અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમની અંતિમ સ્થાપના અને સંચાલન સુધી માર્ગદર્શન આપીએ છીએ.
અમારાં ચોકસાઈપૂર્વક નિયંત્રિત કરી શકાય તેવાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણો ઉત્સેચકની સક્રિયતા, ગતિકી, ઉષ્માગતિક ગુણધર્મો તેમજ પ્રક્રિયાકરણના તાપમાનને પ્રભાવિત કરવાની સુવિધા આપે છે.
અમારી શક્તિશાળી અને વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરોની શ્રેણીમાં નાનાં, હાથમાં પકડી શકાય તેવાં પ્રયોગશાળા ઉપકરણથી લઈને બેન્ચ પર મૂકી શકાય તેવાં અને સંપૂર્ણપણે ઔદ્યોગિક પ્રોસેસરો સુધીની સંપૂર્ણ શ્રેણી આવરી લેવાય છે. 200 વૉટ અને તેથી વધુ શક્તિવાળાં તમામ અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોમાં ડિજિટલ ટચ-ડિસ્પ્લે, બુદ્ધિશાળી સોફ્ટવેર, બ્રાઉઝર દ્વારા દૂરસ્થ નિયંત્રણ અને એકીકૃત SD-card પર આપમેળે ડેટા નોંધવાની સુવિધા હોય છે. વ્યક્તિગત રીતે ગોઠવી શકાય એવો સોનિકેશન ચક્ર મોડ (પલ્સ મોડ) ઉત્સેચકને અલ્ટ્રાસોનિક ઉપચારના સંપર્કમાં રાખવાના સમય અને વિરામના સમયગાળા ગોઠવવા અને નિયંત્રિત કરવાની સુવિધા આપે છે. Hielscher નાં અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોની મજબૂતાઈ ભારે કાર્યભાર અને પડકારજનક પરિસ્થિતિઓમાં 24/7 સંચાલન શક્ય બનાવે છે.
નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની અંદાજિત પ્રક્રિયાકરણ ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે:

ઉત્સેચકીય પ્લાસ્ટિક રિસાયક્લિંગ વિશે

જલવિઘટક એન્ઝાઇમ લીફ-બ્રાન્ચ કમ્પોસ્ટ ક્યુટિનેઝ (LLC) કુદરતમાં જોવા મળે છે અને પોલિઇથિલીન ટેરેફ્થેલેટ (PET)ના બે રચનાત્મક ઘટકો, ટેરેફ્થેલેટ અને ઇથિલીન ગ્લાયકોલ વચ્ચેના બંધોને તોડે છે. જોકે, એન્ઝાઇમની એકંદર અસરકારકતા અને તેની ઉષ્મા પ્રત્યેની સંવેદનશીલતા પ્રતિક્રિયાને મર્યાદિત કરનારા પરિબળો છે, જે પ્રક્રિયાની કાર્યક્ષમતાને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે છે. લીફ-બ્રાન્ચ કમ્પોસ્ટ ક્યુટિનેઝ એન્ઝાઇમનું વિઘટન 65°C પર શરૂ થાય છે, જ્યારે PETના વિઘટનની પ્રક્રિયાઓ માટે 72°C અથવા તેનાથી વધુ તાપમાન જરૂરી હોય છે; આ તાપમાને PET પીગળવાનું શરૂ કરે છે. પીગળેલું PET પ્રક્રિયાનું એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ છે, કારણ કે પીગળેલી અવસ્થા એન્ઝાઇમને કાર્ય કરવા માટે વધુ સપાટી વિસ્તાર પૂરો પાડે છે.
સંશોધકોએ કુદરતી રીતે જોવા મળતા લીફ-બ્રાન્ચ કમ્પોસ્ટ ક્યુટિનેઝ એન્ઝાઇમનું પુનઃઅભિયાંત્રિકીકરણ કર્યું છે અને તેના બંધનસ્થળો પરના એમિનો એસિડમાં ફેરફાર કર્યા છે. તેના પરિણામે એક ઉત્પરિવર્તિત એન્ઝાઇમ પ્રાપ્ત થયો છે, જે PETના બંધો તોડવામાં (મૂળ LLC એન્ઝાઇમની સરખામણીમાં) 10,000 ગણી વધેલી સક્રિયતા અને નોંધપાત્ર રીતે સુધરેલી ઉષ્મીય સ્થિરતા દર્શાવે છે. આનો અર્થ એ છે કે નવો ઉત્પરિવર્તિત એન્ઝાઇમ 72°C પર વિઘટિત થતો નથી, જે તાપમાને PET પીગળવાનું શરૂ કરે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ અને સપાટી સક્રિયકરણ એન્ઝાઇમ દ્વારા સંચાલિત ઉત્પ્રેરક પ્રતિક્રિયાને પ્રોત્સાહન આપે છે. એન્ઝાઇમની ઉત્પ્રેરક સક્રિયતા વધારવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક કંપવિસ્તાર, સમય, તાપમાન અને દબાણ જેવા ચોક્કસ સોનિકેશન પરિમાણોને એન્ઝાઇમના પ્રકાર અનુસાર સચોટ રીતે સમાયોજિત કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાનાં પરિમાણો અને એન્ઝાઇમ પર તેમની અસરો એન્ઝાઇમના ચોક્કસ પ્રકાર, તેની એમિનો એસિડ રચના અને તેની ત્રિપરિમાણીય સંરૂપણાત્મક રચના પર આધાર રાખે છે. આમ, દરેક પ્રકારના એન્ઝાઇમ માટે પ્રક્રિયાની શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓ હોય છે, જેમાં એન્ઝાઇમનું શ્રેષ્ઠ સક્રિયકરણ પ્રાપ્ત થાય છે.

એન્ઝાઇમ અને સબસ્ટ્રેટનું અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણ

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થતા કર્તન અને સૂક્ષ્મ વમળો વિખેરણના ઉપયોગોમાં તેમની ઊંચી કાર્યક્ષમતા માટે જાણીતા છે. એન્ઝાઇમના સમુચ્ચયો તેમજ સબસ્ટ્રેટના સંપિંડોનું અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રેરિત વિખેરણ એન્ઝાઇમની ઉત્પ્રેરક સક્રિયતામાં સુધારો કરે છે, કારણ કે આણ્વિક સમુચ્ચયો અને સંપિંડોના વિભાજનથી પ્રતિક્રિયા માટે એન્ઝાઇમ અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેનો સક્રિય સપાટી વિસ્તાર વધે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રોત્સાહિત ક્યુટિનેઝ એન્ઝાઇમ

એન્ઝાઇમ utinase Thc_Cut1ની PET જલવિઘટન સક્રિયતાના સંદર્ભમાં તેના સક્રિયકરણમાં સોનિકેશને સારાં પરિણામો દર્શાવ્યાં છે. PETના અલ્ટ્રાસોનિક રીતે વધારવામાં આવેલા એન્ઝાઇમજન્ય વિઘટનથી, પ્રક્રિયા ન કરેલા PETની સરખામણીમાં મુક્ત થતા વિઘટન ઉત્પાદનોમાં 6.6 ગણો વધારો થયો હતો. PET પાઉડર અને ફિલ્મોમાં સ્ફટિકીય ટકાવારીમાં વધારો (28%) થવાથી જલવિઘટનની નીપજ ઓછી થઈ હતી, જે સપાટીની ઘટેલી ઉપલબ્ધતા સાથે સંબંધિત હોઈ શકે છે. (જુઓ Nikolaivits et al. 2018)