अल्ट्रासोनिक रूप से तीव्रित एंज़ाईमेटिक प्लास्टिक रीसाइक्लिंग
पॉलीथीन टेरेफ्थेलेट (पीईटी) एक विशाल अपशिष्ट स्रोत है जो ज्यादातर इस्तेमाल किए गए पानी और पेय की बोतलों से आता है। कुछ समय पहले तक, पीईटी के पुनर्चक्रण के परिणामस्वरूप कम गुणवत्ता वाले प्लास्टिक थे। एक नया उत्परिवर्ती एंजाइम प्राचीन कच्चे माल में पीईटी के क्षरण का वादा करता है, जिसका उपयोग नए उच्च गुणवत्ता वाले प्लास्टिक के लिए किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित एंजाइम एक उच्च दक्षता दिखाते हैं, प्लास्टिक के एंजाइमेटिक रीसाइक्लिंग में तेजी लाते हैं और प्रक्रिया क्षमता बढ़ाते हैं।
शक्ति अल्ट्रासाउंड कैसे एंज़ाइमेटिक PET रीसाइक्लिंग को तीव्र करता है
- PET सब्सट्रेट्स के सुलभ सतह क्षेत्र को नाटकीय रूप से बढ़ाता है, जिससे पाउडर रूप ठोस फिल्म की तुलना में बायोकैटेलिसिस के प्रति काफी अधिक संवेदनशील हो जाते हैं।
- पॉलिमर क्रिस्टलीनिटी के अवरोधक प्रभावों को कम करता है, जिससे कम क्रिस्टलीनिटी वाले PET को तेज गति से हाइड्रोलाइज होने की अनुमति मिलती है।
- लक्षित सक्रियण ट्रिगर के रूप में कार्य करता है, जहां प्रारंभिक संक्षिप्त सोनिकेशन मोनोमर्स जैसे टेरेफथैलिक एसिड (TA) और MHET की रिलीज़ को नाटकीय रूप से बढ़ा देता है।
- कठिन थर्मल या रासायनिक प्रीट्रीटमेंट की आवश्यकता के बिना एंज़ाइम और पॉलिमर के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण और इंटरफेस संपर्क को बढ़ाता है।
- सतत प्रतिक्रिया शर्तों की बजाय अल्ट्रासोनिक ऊर्जा को संक्षिप्त सक्रियण चरण तक सीमित करके कुल ऊर्जा आवश्यकताओं को कम करता है।
एंजाइमी प्रतिक्रियाओं की गहनता के लिए सोनिकेटर प्रणाली
ध्वनिक गुहिकायन के माध्यम से भौतिक बाधाओं पर काबू पाना
पॉली (एथिलीन टेरेफ्थेलेट) (पीईटी) अपने उच्च आणविक भार, हाइड्रोफोबिसिटी और अर्ध-क्रिस्टलीय वास्तुकला के कारण जैविक रीसाइक्लिंग के लिए महत्वपूर्ण पुनर्गणना प्रस्तुत करता है, जो स्वाभाविक रूप से एंजाइम प्रवेश और उत्प्रेरक संपर्क को प्रतिबंधित करता है। अल्ट्रासोनिक विकिरण ध्वनिक गुहिकायन उत्पन्न करके इन भौतिक सीमाओं को प्रभावी ढंग से नष्ट कर देता है, जो स्थानीयकृत सूक्ष्म-मिश्रण, यांत्रिक कतरनी बल और पॉलिमर-विलायक इंटरफ़ेस पर नियंत्रित थर्मल उतार-चढ़ाव पैदा करता है। यह ध्वनिक ऊर्जा पॉलिमर मैट्रिक्स को बढ़ाती है, कठोर क्रिस्टलीय डोमेन को बाधित करती है, और जैव उत्प्रेरक लगाव के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को नाटकीय रूप से बढ़ाती है। प्रारंभिक चरण के हाइड्रोलिसिस से पहले या उसके दौरान सब्सट्रेट को भौतिक रूप से कंडीशनिंग करके, सोनिकेशन क्रिस्टलीयता के नकारात्मक प्रभाव को बेअसर करता है और एंजाइमैटिक हमले के लिए अधिक अनुकूल माइक्रोएन्वायरमेंट बनाता है, जो टिकाऊ डीपोलीमराइजेशन के लिए एक अत्यधिक कुशल नींव स्थापित करता है।
कटिनेज बायोकैटलिस्ट्स का सहक्रियात्मक सक्रियण
क्यूटिनेज एंजाइमों, विशेष रूप से थर्मोबिफिडा सेल्युलोसिलिटिका क्यूटिनेज 1 (Thc_cut1) के साथ पावर अल्ट्रासाउंड का एकीकरण, एक शक्तिशाली सहक्रियात्मक संबंध प्रदर्शित करता है जो एंजाइम अखंडता को संरक्षित करते हुए उत्प्रेरक टर्नओवर को अधिकतम करता है। निरंतर अल्ट्रासोनिक विकिरण को बनाए रखने के बजाय, हाइड्रोलिसिस की शुरुआत में 10 मिनट के संक्षिप्त सक्रियण चरण को लागू करने से सिस्टम सक्रिय हो जाता है, जिसके परिणामस्वरूप टीए और एमएचईटी जैसे गिरावट वाले उत्पादों की रिहाई में उल्लेखनीय 5.2- से 6.6 गुना वृद्धि होती है। ध्वनिक ऊर्जा का यह छोटा विस्फोट संभवतः एंजाइम की गतिशीलता में सुधार करता है, इंटरफेशियल गीलापन को बढ़ाता है, और प्रोटीन को विकृत किए बिना उत्प्रेरक बंधन के पक्ष में बहुलक सतह को अस्थायी रूप से संशोधित करता है। संपूर्ण प्रतिक्रिया समयरेखा से उच्च-ऊर्जा इनपुट को अलग करके, सोनिकेशन-कटिनेज तालमेल बायोकैटलिस्ट स्थिरता को बनाए रखते हुए और समग्र प्रक्रिया ऊर्जा खपत को कम करते हुए डीपोलाइमराइजेशन दक्षता में पर्याप्त लाभ प्रदान करता है।
सब्सट्रेट आकृति विज्ञान और प्रक्रिया स्केलेबिलिटी
अल्ट्रासोनिकली-असिस्टेड एंजाइमेटिक पीईटी रीसाइक्लिंग की सफलता सब्सट्रेट ज्यामिति और भौतिक रूप से काफी प्रभावित होती है, जिसमें पाउडर सब्सट्रेट लगातार निरंतर फिल्मों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं। अध्ययनों से संकेत मिलता है कि फिल्मों की तुलना में पीईटी पाउडर पर अल्ट्रासाउंड सक्रियण लगभग तीन गुना अधिक प्रभावी है, मुख्य रूप से क्योंकि दानेदार आकारिकी एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस के लिए एक बहुत बड़ा और अधिक सुलभ सतह क्षेत्र प्रदान करती है। जबकि कम क्रिस्टलीयता वाले पाउडर (उदाहरण के लिए, 8%) तेजी से और मजबूत गिरावट दिखाते हैं, यहां तक कि 7% क्रिस्टलीय पीईटी फिल्मों जैसे संरचित सब्सट्रेट भी मापने योग्य लाभ प्रदर्शित करते हैं, जैसे कि विस्तारित 72-घंटे की प्रतिक्रिया अवधि में टीए रिलीज में 1.2 गुना सुधार। ये रूपात्मक निर्भरताएं सब्सट्रेट विशेषताओं के लिए अल्ट्रासोनिक मापदंडों को तैयार करने की आवश्यकता पर प्रकाश डालती हैं, जिससे यह साबित होता है कि रणनीतिक सोनिकेशन स्केलेबल, औद्योगिक रूप से व्यवहार्य प्लास्टिक अपशिष्ट मूल्यांकन के साथ प्रयोगशाला-स्तरीय एंजाइमैटिक रीसाइक्लिंग को प्रभावी ढंग से पाट सकता है।
पॉवर अल्ट्रासाउंड पॉलीथीलीन टेरेफ्थेलेट (PET) के कुशल रीसायक्लिंग के लिए डीपॉलीमराइजेशन को सुधारता है
एंजाइमी प्रतिक्रियाओं के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर
Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला और उद्योग में बिजली अनुप्रयोगों के लिए उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटर के डिजाइन, निर्माण और वितरण में लंबे समय से अनुभवी है। परिष्कृत अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण में हमारा ज्ञान और अनुभव उस पेशकश का हिस्सा है जो हम अपने ग्राहकों को प्रदान करते हैं।
हम अपने ग्राहकों को व्यवहार्यता परीक्षण और प्रक्रिया अनुकूलन पर पहले परामर्श से लेकर आपके अल्ट्रासोनिक सिस्टम की अंतिम स्थापना और संचालन तक मार्गदर्शन करते हैं।
हमारे ठीक नियंत्रणीय अल्ट्रासोनिक उपकरण एंजाइम गतिविधि, कैनेटीक्स, थर्मोडायनामिक गुणों के साथ-साथ प्रसंस्करण तापमान को प्रभावित करने की अनुमति देते हैं।
शक्तिशाली और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर का हमारा पोर्टफोलियो कॉम्पैक्ट हैंड-हेल्ड लैब डिवाइस से बेंच-टॉप और पूरी तरह से औद्योगिक प्रोसेसर तक पूरी श्रृंखला को कवर करता है। 200 वाट से ऊपर, सभी अल्ट्रासोनिक डिवाइस एक एकीकृत एसडी-कार्ड पर एक डिजिटल टच-डिस्प्ले, बुद्धिमान सॉफ्टवेयर, रिमोट ब्राउज़र नियंत्रण और स्वचालित डेटा प्रोटोकॉल से लैस हैं। व्यक्तिगत रूप से समायोज्य सोनीशन चक्र मोड (पल्स मोड) अल्ट्रासोनिक उपचार के लिए एंजाइम एक्सपोजर (समय और बाकी अवधि) को सेट और नियंत्रित करने की अनुमति देता है। Hielscher के अल्ट्रासोनिक उपकरण की मजबूती भारी शुल्क पर और मांग वातावरण में 24/7 आपरेशन के लिए अनुमति देता है।
नीचे दी गई तालिका आपको हमारे अल्ट्रासोनिकेटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच वॉल्यूम | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/मिनट | यूपी100एच |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/मिनट | यूपी200एचटी, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/मिनट | यूआईपी2000एचडीटी |
| 10 से 100L | 2 से 10 लीटर/मिनट | यूआईपी4000एचडीटी |
| एन.ए. | 10 से 100 लीटर/मिनट | UIP16000 |
| एन.ए. | बड़ा | का क्लस्टर UIP16000 |
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एंजाइमैटिक प्लास्टिक रीसाइक्लिंग के बारे में
हाइड्रोलाइज एंजाइम लीफ-ब्रांच कम्पोस्ट क्यूटिनेज (एलएलसी) प्रकृति में होता है और पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट (पीईटी), टेरेफ्थेलेट और एथिलीन ग्लाइकॉल के दो बिल्डिंग ब्लॉक्स के बीच के बंधनों को काटता है। हालांकि, एंजाइम की समग्र प्रभावशीलता और इसकी गर्मी-संवेदनशीलता प्रतिक्रिया सीमित कारक हैं, जो प्रक्रिया दक्षता को काफी कम करते हैं। पत्ती-शाखा खाद क्यूटिनेज एंजाइम 65 डिग्री सेल्सियस पर नीचा दिखाना शुरू कर देता है, जबकि पीईटी गिरावट प्रक्रियाओं के लिए 72 डिग्री सेल्सियस या उससे अधिक तापमान की आवश्यकता होती है, जिस तापमान पर पीईटी पिघलना शुरू होता है। पिघला हुआ पीईटी महत्वपूर्ण प्रक्रिया कारक है क्योंकि पिघल एक उच्च सतह क्षेत्र प्रदान करता है जहां एंजाइम काम कर सकता है।
Reasearchers ने स्वाभाविक रूप से होने वाली पत्ती-शाखा खाद क्यूटिनेज एंजाइम को फिर से इंजीनियर किया है और इसके बाध्यकारी स्थलों पर अमीनो एसिड को बदल दिया है। इसके परिणामस्वरूप एक उत्परिवर्ती एंजाइम हुआ जो पीईटी बॉन्ड (देशी एलएलसी एंजाइम की तुलना में) को तोड़ने में 10,000 गुना बढ़ी हुई गतिविधि दिखाता है और काफी बेहतर गर्मी-स्थिरता दिखाता है। इसका मतलब है कि नया उत्परिवर्ती एंजाइम 72 डिग्री सेल्सियस पर नहीं टूटता है, जिस तापमान पर पीईटी पिघलना शुरू होता है।
अल्ट्रासोनिक dispersing और सतह सक्रियण एंजाइमेटिक संचालित उत्प्रेरक प्रतिक्रिया को बढ़ावा देता है। अल्ट्रासोनिक आयाम, समय, तापमान और दबाव जैसे विशिष्ट सोनीशन मापदंडों को इसकी उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाने के लिए एंजाइम प्रकार के लिए बिल्कुल ट्यून किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण पैरामीटर और एंजाइमों पर उनके प्रभाव विशिष्ट एंजाइम प्रकार, इसकी अमीनो एसिड संरचना और संरूपण संरचना पर निर्भर करते हैं। इस प्रकार, प्रत्येक एंजाइम प्रकार में इष्टतम प्रक्रिया स्थितियां होती हैं जिनके तहत इष्टतम एंजाइम सक्रियण प्राप्त किया जाता है।
एंजाइम और सब्सट्रेट का अल्ट्रासोनिक फैलाव
अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न कतरनी और सूक्ष्म-अशांति उनकी उच्च दक्षता के लिए अच्छी तरह से जानी जाती है जब यह फैलाने वाले अनुप्रयोगों की बात आती है। एंजाइम समुच्चय के साथ-साथ सब्सट्रेट एग्लोमेरेट्स के अल्ट्रासोनिक रूप से प्रेरित फैलाव एंजाइमी उत्प्रेरक गतिविधि में सुधार करता है क्योंकि आणविक समुच्चय और समूह के टूटने से प्रतिक्रिया के लिए एंजाइम और सब्सट्रेट के बीच सक्रिय सतह क्षेत्र बढ़ जाता है।
अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित क्यूटिनेज एंजाइम
सोनिकेशन ने एंजाइम यूटिनेज Thc_Cut1 की सक्रियता में इसकी पीईटी हाइड्रोलिसिस गतिविधि के संबंध में अच्छे परिणाम दिखाए हैं। पीईटी के अल्ट्रासोनिक रूप से बढ़ाए गए एंजाइमेटिक गिरावट के परिणामस्वरूप अनुपचारित पीईटी की तुलना में जारी गिरावट उत्पादों की 6.6 गुना वृद्धि हुई। पीईटी पाउडर और फिल्मों में क्रिस्टलीय प्रतिशत (28%) की वृद्धि के परिणामस्वरूप कम हाइड्रोलिसिस पैदावार हुई, जो कम सतह उपलब्धता से संबंधित हो सकती है। (cf. Nikolaivits et al. 2018)
बेंच-टॉप सोनीकेटर UIP1500hdT फ्लो-सेल के साथ PET के रीसायक्लिंग के लिए डीपॉलीमराइजेशन के लिए
अल्ट्रासोनिकली-प्रबलित एंज़ायमेटिक PET अपघटन के बारे में अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
अल्ट्रासाउंड PET के एंज़ायमेटिक रीसाइक्लिंग को कैसे सुधारता है?
अल्ट्रासाउंड पॉली(एथिलीन टेरेफ्थैलेट) (PET) के एंज़ायमेटिक हाइड्रोलिसिस को reaction के दौरान अपघटन उत्पादों की रिलीज़ को काफी बढ़ाकर बढ़ाता है। अल्ट्रासाउंड ऊर्जा के साथ एक संक्षिप्त सक्रियण चरण लागू करने से पारंपरिक एंज़ायमेटिक तरीकों की तुलना में मोनोमर उपज में पर्याप्त वृद्धि हो सकती है।
PET की क्रिस्टैलिनिटी अल्ट्रासाउंड-संवर्धित हाइड्रोलिसिस की दक्षता को कैसे प्रभावित करती है?
पीईटी क्रिस्टलीयता एंजाइमेटिक हाइड्रोलिसिस में नकारात्मक भूमिका निभाती है; कम क्रिस्टलीयता वाले सबस्ट्रेट्स बहुत तेजी से खराब होते हैं। उदाहरण के लिए, 8% क्रिस्टलीयता के साथ पीईटी पाउडर को अल्ट्रासाउंड सक्रियण के अधीन होने पर 28% क्रिस्टलीयता के साथ पीईटी की तुलना में काफी तेजी से हाइड्रोलाइज्ड किया गया था।
क्या पीईटी सब्सट्रेट (पाउडर बनाम फिल्म) का भौतिक रूप अल्ट्रासाउंड प्रभावशीलता को प्रभावित करता है?
हां, सब्सट्रेट का भौतिक रूप परिणामों को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। अल्ट्रासाउंड सक्रियण फिल्मों की तुलना में पीईटी पाउडर पर लगभग तीन गुना अधिक प्रभावी है। यह अंतर मुख्य रूप से निरंतर फिल्मों की तुलना में पाउडर सबस्ट्रेट्स में एंजाइमेटिक हमले के लिए उपलब्ध बड़े सतह क्षेत्र के लिए जिम्मेदार है।
आमतौर पर अल्ट्रासाउंड-असिस्टेड पीईटी गिरावट में किस एंजाइम का उपयोग किया जाता है?
एन्ज़ाइम Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1) आमतौर पर अल्ट्रासाउंड-सक्रिय PET हाइड्रोलिसिस प्रक्रियाओं में उपयोग किया जाता है। यह बायोकैटालिस्ट बेहतर गतिविधि दिखाता है जब प्रतिक्रिया की शुरुआत अल्ट्रासाउंड ऊर्जा की एक छोटी धमाके के साथ की जाती है।
क्या सोनिकेशन अन्य PET डिपोलिमरीकरण पाथवेज़ को बढ़ावा देता है?
हाँ, पावर अल्ट्रासाउंड क्षारीय, एसिडिक, या तटस्थ हाइड्रोलिसिस; एथिलीन ग्लाइकोल के साथ ग्लाइकोलिसिस; मिथानोलिसिस; अभिक्रियात्मक सोल्वोलिसिस; साथ ही एंज़ाइमेटिक PET हाइड्रोलिसिस का समर्थन करता है।
जानें कि कैसे सोनिकेशन PET के क्षारीय हाइड्रोलिसिस को तीव्र करता है!
ध्वनिक कैविटेशन क्या है?
कम आवृत्ति, उच्च तीव्रता ultrasonication (लगभग 20 – 50kHz) ध्वनिक/अल्ट्रासोनिक कैविटेशन का कारण बनता है जो भौतिक, यांत्रिक और रासायनिक प्रभाव पैदा करता है। ध्वनिक गुहिकायन के प्रभाव को मिनट वैक्यूम बुलबुले के गठन, विकास और बाद में हिंसक पतन के रूप में देखा जा सकता है, जो एक तरल में युग्मित अल्ट्रासाउंड तरंगों के दबाव में उतार-चढ़ाव के कारण होता है। गुहिकायन बुलबुले के विस्फोट के दौरान, तथाकथित गर्म धब्बे होते हैं, जो छोटी जगह और छोटी अवधि तक ही सीमित होते हैं। स्थानीय रूप से होने वाले हॉट-स्पॉट को कम से कम 5000 K के तीव्र ताप, 1200 बार तक के दबाव, और मिलीसेकंड के भीतर होने वाले उच्च तापमान और दबाव अंतर की विशेषता है। तरल की बूंदों और कणों को 208m/s तक के वेग के साथ तरल जेट में त्वरित किया जाता है।
एंजाइमों का अल्ट्रासोनिक उपचार ध्वनिक कैविटेशन और इसके हाइड्रोडायनामिक कतरनी बलों पर आधारित है
साहित्य/सन्दर्भ
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- Meliza Lindsay Rojas; Júlia Hellmeister Trevilin; Pedro Esteves Duarte Augusto (2016): The ultrasound technology for modifying enzyme activity. Scientia Agropecuaria 7 /2, 2016. 145–150.