Ultrazvučno intenzivirano enzimsko recikliranje plastike

Polietilen-tereftalat (PET) golem je izvor otpada koji uglavnom potječe od iskorištenih boca za vodu i napitke. Donedavno se recikliranjem PET-a dobivala plastika niske kvalitete. Novi mutirani enzim obećava razgradnju PET-a u čistu izvornu sirovinu koja se može upotrijebiti za proizvodnju nove visokokvalitetne plastike. Enzimi čije je djelovanje potaknuto ultrazvukom pokazuju veću učinkovitost, čime ubrzavaju enzimsko recikliranje plastike i povećavaju procesne kapacitete.

Kako ultrazvuk velike snage intenzivira enzimsko recikliranje PET-a

• Drastično povećava dostupnu površinu PET supstrata, zbog čega praškasti oblici znatno bolje reagiraju na biokatalizu od čvrstih filmova.
• Ublažava inhibicijske učinke kristalnosti polimera, omogućujući bržu hidrolizu PET-a niske kristalnosti.
• Djeluje kao ciljani aktivacijski okidač, pri čemu kratka početna sonikacija drastično povećava oslobađanje monomera poput tereftalne kiseline (TA) i MHET-a.
• Poboljšava prijenos tvari i kontakt na međupovršini između enzima i polimera bez potrebe za oštrim toplinskim ili kemijskim predobradama.
• Smanjuje ukupne energetske potrebe ograničavanjem primjene ultrazvučne energije na kratku aktivacijsku fazu umjesto njezine kontinuirane primjene tijekom reakcije.

Prevladavanje fizičkih prepreka akustičnom kavitacijom

Poli(etilen-tereftalat) (PET) izrazito je otporan na biološko recikliranje zbog svoje velike molekulske mase, hidrofobnosti i polukristalne strukture, koje prirodno ograničavaju prodiranje enzima i katalitički kontakt. Ultrazvučno ozračivanje učinkovito uklanja ta fizička ograničenja stvaranjem akustične kavitacije, koja proizvodi lokalizirano mikromiješanje, mehaničke smične sile i kontrolirane toplinske fluktuacije na međupovršini polimera i otapala. Ta akustična energija uzrokuje bubrenje polimerne matrice, narušava krute kristalne domene i drastično povećava dostupnu površinu za vezanje biokatalizatora. Fizičkom pripremom supstrata prije hidrolize ili tijekom njezine rane faze sonikacija neutralizira negativan utjecaj kristalnosti i stvara povoljniji mikrookoliš za enzimsko djelovanje, uspostavljajući vrlo učinkovitu osnovu za održivu depolimerizaciju.

Sinergijska aktivacija kutinaznih biokatalizatora

Kombiniranje ultrazvuka velike snage s enzimima kutinazama, osobito kutinazom 1 vrste Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), pokazuje snažno sinergijsko djelovanje koje maksimalno povećava katalitički obrtaj uz očuvanje cjelovitosti enzima. Umjesto kontinuiranog ultrazvučnog ozračivanja, primjena kratke 10-minutne aktivacijske faze na početku hidrolize priprema sustav, što rezultira iznimnim povećanjem oslobađanja produkata razgradnje, poput TA i MHET-a, od 5,2 do 6,6 puta. Taj kratki impuls akustične energije vjerojatno poboljšava pokretljivost enzima, pospješuje kvašenje međupovršine i privremeno mijenja površinu polimera kako bi pogodovala katalitičkom vezanju bez denaturacije proteina. Odvajanjem unosa velike količine energije od cjelokupnog trajanja reakcije, sinergija sonikacije i kutinaze znatno povećava učinkovitost depolimerizacije uz očuvanje stabilnosti biokatalizatora i smanjenje ukupne potrošnje energije u procesu.

Morfologija supstrata i mogućnost povećanja razmjera procesa

Na uspjeh ultrazvučno potpomognutog enzimskog recikliranja PET-a snažno utječu geometrija i fizički oblik supstrata, pri čemu praškasti supstrati dosljedno daju bolje rezultate od kontinuiranih filmova. Istraživanja pokazuju da je ultrazvučna aktivacija približno tri puta učinkovitija na prašcima PET-a nego na filmovima, prvenstveno zato što zrnata morfologija osigurava znatno veću i pristupačniju površinu za enzimsku hidrolizu. Dok prašci niske kristaliničnosti (npr. 8%) pokazuju brzu i izraženu razgradnju, čak i strukturirani supstrati poput filmova PET-a s 7% kristaliničnosti pokazuju mjerljive koristi, kao što je povećanje oslobađanja TA za faktor 1,2 tijekom produljenih reakcijskih razdoblja od 72 sata. Ta ovisnost o morfologiji naglašava nužnost prilagodbe ultrazvučnih parametara svojstvima supstrata, dokazujući da strateška sonikacija može učinkovito povezati enzimsko recikliranje u laboratorijskom mjerilu s oporabom plastičnog otpada koja se može proširiti na veće mjerilo i industrijski je održiva.

Ultrazvučni procesori visokih performansi za enzimske reakcije

Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u projektiranju, proizvodnji i distribuciji ultrazvučnih uređaja visokih performansi za primjene velike snage u laboratoriju i industriji. Naše znanje i iskustvo u naprednoj ultrazvučnoj obradi dio su ponude koju pružamo svojim kupcima.
Svoje kupce vodimo od prvog savjetovanja, preko ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa, do završne ugradnje i rada njihova ultrazvučnog sustava.
Naši ultrazvučni uređaji s preciznim upravljanjem omogućuju utjecaj na aktivnost enzima, kinetiku, termodinamička svojstva te temperaturu obrade.
Naš portfelj snažnih i pouzdanih ultrazvučnih procesora obuhvaća cijeli raspon, od kompaktnog ručnog laboratorijskog uređaja do stolnih i potpuno industrijskih procesora. Svi ultrazvučni uređaji snage od 200 vata naviše opremljeni su digitalnim zaslonom osjetljivim na dodir, inteligentnim softverom, daljinskim upravljanjem putem preglednika i automatskim bilježenjem podataka na ugrađenu SD karticu. Pojedinačno podesiv ciklički način sonikacije (pulsni način rada) omogućuje postavljanje i kontrolu izloženosti enzima ultrazvučnoj obradi (trajanja izlaganja i razdoblja mirovanja). Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:

O enzimskom recikliranju plastike

Hidrolitički enzim kutinaza iz komposta lišća i grančica (LLC) pojavljuje se u prirodi i cijepa veze između dviju sastavnih jedinica polietilen-tereftalata (PET), tereftalata i etilen-glikola. Međutim, ukupna učinkovitost enzima i njegova osjetljivost na toplinu čimbenici su koji ograničavaju reakciju, čime znatno smanjuju učinkovitost procesa. Enzim kutinaza iz komposta lišća i grančica počinje se razgrađivati pri 65°C, dok procesi razgradnje PET-a zahtijevaju temperature od 72°C ili više, odnosno temperaturu pri kojoj se PET počinje taliti. Rastaljeni PET važan je čimbenik procesa jer talina nudi veću površinu na kojoj enzim može djelovati.
Istraživači su preoblikovali prirodno prisutan enzim kutinazu iz komposta lišća i grančica te promijenili aminokiseline na njegovim veznim mjestima. Time je dobiven mutirani enzim koji pokazuje 10.000 puta veću aktivnost pri cijepanju veza u PET-u (u usporedbi s izvornim enzimom LLC) i znatno poboljšanu toplinsku stabilnost. To znači da se novi mutirani enzim ne razgrađuje pri 72°C, temperaturi pri kojoj se PET počinje taliti.
Ultrazvučno dispergiranje i aktivacija površine potiču enzimski kataliziranu reakciju. Specifični parametri sonikacije, kao što su ultrazvučna amplituda, vrijeme, temperatura i tlak, mogu se precizno prilagoditi vrsti enzima kako bi se povećala njegova katalitička aktivnost. Parametri ultrazvučne obrade i njihovi učinci na enzime ovise o određenoj vrsti enzima, njegovu aminokiselinskom sastavu i konformacijskoj strukturi. Stoga svaka vrsta enzima ima optimalne procesne uvjete u kojima se postiže optimalna aktivacija enzima.

Ultrazvučno dispergiranje enzima i supstrata

Ultrazvučno generirano smicanje i mikroturbulencije dobro su poznati po svojoj visokoj učinkovitosti u primjenama dispergiranja. Ultrazvučno potaknuto dispergiranje enzimskih agregata i aglomerata supstrata poboljšava enzimsku katalitičku aktivnost jer razbijanje molekularnih agregata i aglomerata povećava aktivnu površinu za reakciju između enzima i supstrata.

Ultrazvučno potpomognuti enzim kutinaza

Sonikacija je pokazala dobre rezultate u aktivaciji enzima utinase Thc_Cut1 u pogledu njegove aktivnosti pri hidrolizi PET-a. Ultrazvučno poboljšana enzimska razgradnja PET-a rezultirala je 6,6 puta većom količinom oslobođenih produkata razgradnje u usporedbi s neobrađenim PET-om. Povećanje udjela kristalne faze (28%) u prahu i filmovima PET-a rezultiralo je nižim prinosima hidrolize, što bi moglo biti povezano sa smanjenom dostupnošću površine. (usp. Nikolaivits et al. 2018)