Ultrazvučno promovirano enzimsko recikliranje plastike
Polietilen tereftalat (PET) veliki je izvor otpada koji uglavnom dolazi od korištene vode i boca za piće. Donedavno je recikliranje PET-a rezultiralo plastikom niske kvalitete. Novi mutirani enzim obećava razgradnju PET-a u netaknutu sirovinu, koja se može koristiti za novu visokokvalitetnu plastiku. Ultrazvučno promovirani enzimi pokazuju veću učinkovitost, ubrzavajući enzimatsko recikliranje plastike i povećavajući procesne kapacitete.
Ultrazvučna obrada za enzimatsko recikliranje plastike
Ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije dobro je poznat po svojim učincima na enzimske reakcije. Sonikacija se može koristiti i za aktivaciju i za inaktivaciju enzima. Kontrolirana sonikacija pri niskim do srednjim amplitudama aktivira enzime i potiče prijenos mase između enzima i supstrata, što rezultira povećanom katalitičkom aktivnošću enzima.
Sonikacija mijenja karakteristike enzima i na taj način potiče aktivnost enzima. Ultrazvučna prethodna obrada supstrata ubrzava enzimske reakcije.
Ultrazvučno miješanje pospješilo je prijenos mase između enzima i plastične podloge, tako da enzim može prodrijeti i razgraditi talinu visoko kristalnog PET-a. Kao energetski učinkovita tehnologija kojom se lako rukuje, ultrazvuk pomaže u recikliranju PET-a na isplativ i ekološki prihvatljiv način.
Sonikatorski sustav za intenziviranje enzimskih reakcija
Ultrazvučna disperzija enzima i supstrata
Ultrazvučno generirana smicanja i mikro-turbulencije dobro su poznate po svojoj visokoj učinkovitosti kada je riječ o primjenama raspršivanja. Ultrazvučno inducirana disperzija agregata enzima kao i aglomerata supstrata poboljšava enzimsku katalitičku aktivnost jer razgradnja molekularnih agregata i aglomerata povećava aktivnu površinu između enzima i supstrata za reakciju.
Ultrazvučno promoviran enzim kutinaza
Sonikacija je pokazala dobre rezultate u aktivaciji enzima utinase Thc_Cut1 u odnosu na njegovu aktivnost PET hidrolize. Ultrazvučno poboljšana enzimska razgradnja PET-a rezultirala je 6,6 puta povećanjem otpuštenih produkata razgradnje u usporedbi s netretiranim PET-om. Povećanje kristalnog postotka (28%) u PET prahu i filmovima rezultiralo je manjim prinosima hidrolize, što bi moglo biti povezano sa smanjenom dostupnošću površine. (usp. Nikolaivits et al. 2018.)
- pojačava aktivnost enzima
- ubrzava enzimske reakcije
- rezultira potpunijim reakcijama
O enzimskom recikliranju plastike
Enzim za hidrolizu kutinaze lišća i grana komposta (LLC) pojavljuje se u prirodi i siječe veze između dva građevna bloka polietilen tereftalata (PET), tereftalata i etilen glikola. Međutim, ukupna učinkovitost enzima i njegova osjetljivost na toplinu su faktori koji ograničavaju reakciju, što značajno smanjuje učinkovitost procesa. Enzim kutinaza komposta grana lista počinje se razgrađivati na 65°C, dok procesi razgradnje PET-a zahtijevaju temperature od 72°C ili više, temperaturu na kojoj se PET počinje topiti. Rastaljeni PET važan je čimbenik procesa budući da talina nudi veću površinu na kojoj enzim može djelovati.
Istraživači su rekonstruirali prirodni enzim kutinazu komposta grana lišća i promijenili aminokiseline na mjestima njegova vezivanja. To je rezultiralo mutiranim enzimom koji pokazuje povećanu aktivnost za 10 000 puta u kidanju PET veza (u usporedbi s nativnim LLC enzimom) i značajno poboljšanu toplinsku stabilnost. To znači da se novi mutirani enzim ne raspada na 72°C, temperaturi na kojoj se PET počinje topiti.
Ultrazvučno raspršivanje i površinska aktivacija potiče enzimski vođenu katalitičku reakciju. Specifični parametri sonikacije kao što su ultrazvučna amplituda, vrijeme, temperatura i tlak mogu se točno podesiti prema vrsti enzima kako bi se povećala njegova katalitička aktivnost. Parametri ultrazvučne obrade i njihovi učinci na enzime ovise o specifičnoj vrsti enzima, njegovom aminokiselinskom sastavu i konformacijskoj strukturi. Pritom svaka vrsta enzima ima optimalne procesne uvjete pod kojima se postiže optimalna aktivacija enzima.
- Povećani prijenos mase
- Povećana konstanta brzine
- Povećana katalitička učinkovitost
- Precizno kontrolirano kako bi se zadovoljila slatka točka enzima
- Testiranje bez rizika
- Linearno skalabilan
- Isplativ
- siguran i jednostavan za rukovanje
- slabo održavanje
- Brzi ROI
- ekološki prihvatljivo
Spremnik s ultrazvučnim uređajima od 8kW (4x UIP2000hdT) i miješalica
Ultrazvučni procesori visokih performansi za enzimske reakcije
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u projektiranju, proizvodnji i distribuciji ultrazvučnih uređaja visokih performansi za energetske primjene u laboratoriju i industriji. Naše znanje i iskustvo u sofisticiranoj ultrazvučnoj obradi dio je ponude koju nudimo našim kupcima.
Vodimo naše kupce od prvog savjetovanja preko ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa do konačne instalacije i rada vašeg ultrazvučnog sustava.
Naši ultrazvučni uređaji koji se mogu precizno kontrolirati omogućuju utjecaj na aktivnost enzima, kinetiku, termodinamička svojstva kao i temperaturu obrade.
Naš portfelj snažnih i pouzdanih ultrazvučnih procesora pokriva cijeli raspon od kompaktnih ručnih laboratorijskih uređaja do stolnih i potpuno industrijskih procesora. Od 200 vata naviše, svi ultrazvučni uređaji opremljeni su digitalnim zaslonom osjetljivim na dodir, inteligentnim softverom, daljinskim upravljanjem preglednikom i automatskim protokoliranjem podataka na integriranoj SD kartici. Individualno podesivi način rada ciklusa sonikacije (pulsni način rada) omogućuje postavljanje i kontrolu izloženosti enzima (vrijeme i razdoblja odmora) ultrazvučnom tretmanu. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorija do pilot i industrijski mjerilo.
Literatura / Reference
- V. Tournier, C. M. Topham, A. Gilles, B. David, C. Folgoas, E. Moya-Leclair, E. Kamionka, M.-L. Desrousseaux, H. Texier, S. Gavalda, M. Cot, E. Guémard, M. Dalibey, J. Nomme, G. Cioci, S. Barbe, M. Chateau, I. André, S. Duquesne, A. Marty (2020): An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580(7802): 216-219.
- Efstratios Nikolaivits, Maria Kanelli, Maria Dimarogona, Evangelos Topakas (2018): A Middle-Aged Enzyme Still in Its Prime: Recent Advances in the Field of Cutinases. Catalysts 2018, 8, 612.
- Pellis, A.; Gamerith, C.; Ghazaryan, G.; Ortner, A.; Herrero Acero, E.; Guebitz, G.M. (2016): Ultrasound-enhanced enzymatic hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Bioresour. Technol. 218, 2016. 1298–1302.
- 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.
- Shamraja S. Nadar; Virendra K. Rathod (2017): Ultrasound assisted intensification of enzyme activity and its properties: a mini-review. World J Microbiol Biotechnol 2017, 33:170.
Činjenice koje vrijedi znati
Sile akustične kavitacije
Ultrazvučna obrada niske frekvencije visokog intenziteta (približno 20 – 50 kHz) uzrokuje akustičnu / ultrazvučnu kavitaciju koja proizvodi fizičke, mehaničke i kemijske učinke. Učinci akustične kavitacije mogu se promatrati kao formiranje, rast i naknadno nasilno kolaps sićušnih vakuumskih mjehurića, koji nastaju zbog fluktuacija tlaka ultrazvučnih valova spojenih u tekućinu. Prilikom implozije kavitacijskih mjehurića nastaju tzv. vruće točke, koje su ograničene na mali prostor i kratko traju. Te vruće točke koje se pojavljuju lokalno karakterizira intenzivno zagrijavanje od najmanje 5000 K, tlakovi do 1200 bara, te visoke razlike u temperaturi i tlaku koje se javljaju unutar milisekundi. Kapljice i čestice tekućine se ubrzavaju u tekuće mlazove brzinama do 208 m/s.
Ultrazvučna obrada enzima temelji se na akustičnoj kavitaciji i njezinim hidrodinamičkim silama smicanja