מיחזור אנזימטי של פלסטיק המוגבר באמצעות אולטרסאונד

פוליאתילן טרפתלאט (PET) הוא מקור עצום לפסולת, שמקורה בעיקר בבקבוקי מים ומשקאות משומשים. עד לאחרונה, מיחזור PET הניב פלסטיק באיכות נמוכה. אנזים מוטנטי חדש מבטיח לפרק PET לחומר גלם בתולי, שניתן להשתמש בו לייצור פלסטיק חדש באיכות גבוהה. אנזימים שפעילותם מוגברת באמצעות אולטרסאונד מראים יעילות גבוהה יותר, מאיצים את המיחזור האנזימטי של פלסטיק ומגדילים את תפוקת התהליך.

כיצד אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מגביר מיחזור אנזימטי של PET

• מגדיל באופן דרמטי את שטח הפנים הנגיש של מצעי PET, כך שצורות אבקתיות מגיבות לביוקטליזה במידה רבה משמעותית מיריעות מוצקות.
• מפחית את ההשפעות המעכבות של גבישיות הפולימר, ומאפשר ל-PET בעל גבישיות נמוכה לעבור הידרוליזה בקצב מואץ.
• משמש כגורם הפעלה ממוקד, שבו סוניקציה התחלתית קצרה מגבירה באופן דרמטי את שחרורם של מונומרים כגון חומצה טרפתלית (TA) ו-MHET.
• משפר את מעבר המסה ואת המגע בממשק בין האנזים לפולימר, ללא צורך בטיפולים מקדימים תרמיים או כימיים חריפים.
• מפחית את דרישות האנרגיה הכוללות באמצעות הגבלת האנרגיה האולטרסונית לשלב הפעלה קצר במקום הפעלתה ברציפות לאורך התגובה.

התגברות על מחסומים פיזיקליים באמצעות קוויטציה אקוסטית

פולי(אתילן טרפתלאט) (PET) עמיד במידה ניכרת בפני מיחזור ביולוגי בשל משקלו המולקולרי הגבוה, ההידרופוביות שלו והמבנה הגבישי למחצה שלו, המגבילים מטבעם את חדירת האנזימים ואת המגע הקטליטי. הקרנה אולטרסונית מתגברת ביעילות על מגבלות פיזיקליות אלה באמצעות יצירת קוויטציה אקוסטית, המחוללת מיקרו-ערבול מקומי, כוחות גזירה מכניים ותנודות תרמיות מבוקרות בממשק שבין הפולימר לממס. אנרגיה אקוסטית זו גורמת לתפיחת מטריצת הפולימר, משבשת אזורים גבישיים קשיחים ומגדילה באופן דרמטי את שטח הפנים הזמין להיקשרות הביוקטליזטור. באמצעות הכנה פיזיקלית של המצע לפני ההידרוליזה או בשלביה המוקדמים, סוניקציה מנטרלת את ההשפעה השלילית של הגבישיות ויוצרת מיקרו-סביבה נוחה יותר לתקיפה אנזימטית, ובכך מניחה תשתית יעילה ביותר לדה-פולימריזציה בת-קיימא.

הפעלה סינרגטית של ביוקטליזטורים מסוג קוטינאז

השילוב של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה עם אנזימי קוטינאז, ובייחוד Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1), מדגים יחסי גומלין סינרגטיים רבי-עוצמה הממקסמים את התחלופה הקטליטית תוך שמירה על שלמות האנזים. במקום להמשיך בהקרנה אולטרסונית רציפה, יישום של שלב הפעלה קצר בן 10 דקות בתחילת ההידרוליזה מכין את המערכת לפעולה, ומביא לעלייה מרשימה של פי 5.2 עד פי 6.6 בשחרור תוצרי פירוק כגון TA ו-MHET. פרץ קצר זה של אנרגיה אקוסטית ככל הנראה משפר את ניידות האנזים, מגביר את ההרטבה בממשק ומשנה זמנית את פני השטח של הפולימר באופן המעודד קישור קטליטי, מבלי לגרום לדנטורציה של החלבון. באמצעות הפרדת אספקת האנרגיה הגבוהה ממשך התגובה הכולל, הסינרגיה בין סוניקציה לקוטינאז משפרת במידה ניכרת את יעילות הדה-פולימריזציה, תוך שמירה על יציבות הביוקטליזטור והפחתת צריכת האנרגיה הכוללת של התהליך.

מורפולוגיית המצע ואפשרות הגדלת קנה המידה של התהליך

הצלחתו של מיחזור PET אנזימטי בסיוע אולטרסאונד מושפעת במידה רבה מהגאומטריה ומהצורה הפיזית של המצע, כאשר מצעים אבקתיים מציגים באופן עקבי ביצועים טובים יותר מיריעות רציפות. מחקרים מצביעים על כך שהפעלה באמצעות אולטרסאונד יעילה בערך פי שלושה באבקות PET בהשוואה ליריעות, בעיקר משום שהמורפולוגיה הגרגרית מספקת שטח פנים גדול ונגיש הרבה יותר להידרוליזה אנזימטית. בעוד שאבקות בעלות גבישיות נמוכה (למשל, 8%) מציגות פירוק מהיר ונמרץ, אפילו מצעים מובְנים כמו יריעות PET בעלות גבישיות של 7% מפגינים תועלות מדידות, כגון שיפור של פי 1.2 בשחרור TA לאורך פרקי תגובה ממושכים של 72 שעות. תלות זו במורפולוגיה מדגישה את הצורך להתאים את הפרמטרים האולטרסוניים למאפייני המצע, ומוכיחה כי שימוש אסטרטגי בסוניקציה יכול לגשר ביעילות בין מיחזור אנזימטי בקנה מידה מעבדתי לבין הפקת ערך מפסולת פלסטיק בתהליך שניתן להרחבה והוא ישים מבחינה תעשייתית.

מעבדים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לתגובות אנזימטיות

ל־Hielscher Ultrasonics ניסיון רב שנים בתכנון, בייצור ובהפצה של מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומים עתירי הספק במעבדה ובתעשייה. הידע והניסיון שלנו בעיבוד אולטרסוני מתקדם הם חלק מההיצע שאנו מספקים ללקוחותינו.
אנו מלווים את לקוחותינו מהייעוץ הראשוני, דרך בדיקות היתכנות ואופטימיזציה של התהליך, ועד להתקנה הסופית ולהפעלה של המערכת האולטרסונית שלכם.
המכשירים האולטרסוניים שלנו, הניתנים לשליטה מדויקת, מאפשרים להשפיע על פעילות האנזימים, על הקינטיקה, על התכונות התרמודינמיות וכן על טמפרטורת העיבוד.
מגוון המעבדים האולטרסוניים העוצמתיים והאמינים שלנו מכסה את מלוא הטווח, מהמכשיר המעבדתי הקומפקטי הנישא ביד ועד למעבדים שולחניים ולמעבדים תעשייתיים מלאים. מהספק של 200 ואט ומעלה, כל המכשירים האולטרסוניים מצוידים בצג מגע דיגיטלי, בתוכנה חכמה, בשליטה מרחוק באמצעות דפדפן וברישום נתונים אוטומטי בכרטיס SD מובנה. מצב מחזור הסוניקציה הניתן להתאמה אישית (מצב פעימות) מאפשר להגדיר ולשלוט בחשיפת האנזים לטיפול האולטרסוני (משך החשיפה ופרקי המנוחה). המבנה העמיד של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשר הפעלה 24/7 בעומס עבודה גבוה ובסביבות תובעניות.
הטבלה שלהלן מספקת אומדן לכושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

על מיחזור פלסטיק אנזימטי

האנזים ההידרוליטי קוטינאז מקומפוסט עלים וענפים (LLC) מצוי בטבע ומבקע את הקשרים בין שתי אבני הבניין של פוליאתילן טרפתלאט (PET), טרפתלאט ואתילן גליקול. עם זאת, היעילות הכוללת של האנזים ורגישותו לחום הן גורמים המגבילים את התגובה ומפחיתים במידה ניכרת את יעילות התהליך. האנזים קוטינאז מקומפוסט עלים וענפים מתחיל להתפרק ב-65°C, בעוד שתהליכי פירוק PET דורשים טמפרטורות של 72°C ומעלה, הטמפרטורה שבה PET מתחיל להינתך. PET מותך הוא גורם חשוב בתהליך, שכן הנתך מספק שטח פנים גדול יותר שעליו האנזים יכול לפעול.
חוקרים הנדסו מחדש את האנזים קוטינאז מקומפוסט עלים וענפים המצוי בטבע ושינו חומצות אמינו באתרי הקישור שלו. כך התקבל אנזים מוטנטי המציג פעילות גבוהה פי 10,000 בביקוע קשרים ב-PET (בהשוואה לאנזים LLC הטבעי) ויציבות משופרת במידה ניכרת בחום. משמעות הדבר היא שהאנזים המוטנטי החדש אינו מתפרק ב-72°C, הטמפרטורה שבה PET מתחיל להינתך.
דיספרסיה אולטרסונית ושפעול פני השטח מקדמים תגובה קטליטית המונעת על ידי אנזימים. ניתן להתאים במדויק פרמטרים מסוימים של סוניקציה, כגון משרעת אולטרסונית, זמן, טמפרטורה ולחץ, לסוג האנזים כדי להגביר את פעילותו הקטליטית. פרמטרי העיבוד האולטרסוני והשפעותיהם על אנזימים תלויים בסוג האנזים המסוים, בהרכב חומצות האמינו שלו ובמבנה המרחבי שלו. לפיכך, לכל סוג אנזים יש תנאי תהליך מיטביים שבהם מושג שפעול מיטבי של האנזים.

דיספרסיה אולטרסונית של אנזים ומצע

כוחות גזירה ומיקרו-מערבולות הנוצרים באמצעות אולטרסאונד מוכרים היטב ביעילותם הגבוהה ביישומי דיספרסיה. הדיספרסיה של צברי אנזימים ושל תלכידי מצע באמצעות אולטרסאונד משפרת את הפעילות הקטליטית האנזימטית, שכן פירוק הצברים והתלכידים המולקולריים מגדיל את שטח הפנים הפעיל הזמין לתגובה בין האנזימים למצע.

אנזים קוטינאז שפעילותו מוגברת באמצעות אולטרסאונד

סוניקציה הראתה תוצאות טובות בשפעול האנזים utinase Thc_Cut1 מבחינת פעילותו בהידרוליזה של PET. הפירוק האנזימטי של PET המוגבר באמצעות אולטרסאונד הביא לעלייה של פי 6.6 בכמות תוצרי הפירוק שהשתחררו בהשוואה ל-PET שלא טופל. עלייה באחוז הגבישיות (28%) באבקת PET וביריעות PET הביאה לתפוקות הידרוליזה נמוכות יותר, שעשויות להיות קשורות לזמינות המופחתת של שטח הפנים. (ראו Nikolaivits et al. 2018)