Պլաստիկի ֆերմենտային վերամշակման ինտենսիվացում ուլտրաձայնով
Պոլիէթիլենտերեֆտալատը (PET) թափոնների հսկայական աղբյուր է, որը հիմնականում գոյանում է ջրի և ըմպելիքների օգտագործված շշերից։ Մինչև վերջերս PET-ի վերամշակման արդյունքում ստացվում էին ցածրորակ պլաստիկներ։ Նոր մուտանտ ֆերմենտը խոստանում է PET-ը քայքայել՝ ստանալով առաջնային որակի հումք, որը կարող է օգտագործվել նոր բարձրորակ պլաստիկների արտադրության համար։ Ուլտրաձայնով խթանված ֆերմենտներն ավելի բարձր արդյունավետություն են ցուցաբերում՝ արագացնելով պլաստիկների ֆերմենտային վերամշակումը և մեծացնելով գործընթացի արտադրողականությունը։
Ինչպես է հզոր ուլտրաձայնը ինտենսիվացնում PET-ի ֆերմենտային վերամշակումը
- Կտրուկ մեծացնում է PET սուբստրատների հասանելի մակերեսի մակերեսը՝ փոշենման ձևերը դարձնելով կենսակատալիզի նկատմամբ զգալիորեն ավելի ընկալունակ, քան պինդ թաղանթները։
- Մեղմում է պոլիմերի բյուրեղայնության արգելակող ազդեցությունները՝ թույլ տալով, որ ցածր բյուրեղայնությամբ PET-ի հիդրոլիզն ընթանա ավելի բարձր արագությամբ։
- Գործում է որպես նպատակային ակտիվացման խթանիչ. սկզբնական կարճատև ուլտրաձայնային մշակումը կտրուկ մեծացնում է այնպիսի մոնոմերների արտազատումը, ինչպիսիք են տերեֆտալաթթուն (TA) և MHET-ը։
- Բարելավում է զանգվածափոխանակությունն ու միջֆազային շփումը ֆերմենտի և պոլիմերի միջև՝ առանց կոշտ ջերմային կամ քիմիական նախամշակման անհրաժեշտության։
- Նվազեցնում է էներգիայի ընդհանուր պահանջարկը՝ ուլտրաձայնային էներգիայի կիրառումը սահմանափակելով ակտիվացման կարճ փուլով՝ ռեակցիայի ողջ ընթացքում այն շարունակաբար կիրառելու փոխարեն։
Ուլտրաձայնային մշակման համակարգ՝ ֆերմենտային ռեակցիաների ինտենսիվացման համար
Ֆիզիկական արգելքների հաղթահարում ակուստիկ կավիտացիայի միջոցով
Պոլի(էթիլենտերեֆտալատը) (PET) զգալիորեն դիմադրում է կենսաբանական վերամշակմանը՝ իր բարձր մոլեկուլային զանգվածի, հիդրոֆոբության և կիսաբյուրեղային կառուցվածքի պատճառով, որոնք բնականորեն սահմանափակում են ֆերմենտի ներթափանցումն ու կատալիտիկ շփումը։ Ուլտրաձայնային ճառագայթումն արդյունավետորեն վերացնում է այս ֆիզիկական սահմանափակումները՝ առաջացնելով ակուստիկ կավիտացիա, որը պոլիմեր–լուծիչ միջֆազային սահմանին ստեղծում է տեղային միկրոխառնում, մեխանիկական սահքի ուժեր և վերահսկվող ջերմային տատանումներ։ Այս ակուստիկ էներգիան ուռչեցնում է պոլիմերային մատրիցը, խախտում կոշտ բյուրեղային տիրույթները և կտրուկ մեծացնում կենսակատալիզատորի ամրացման համար հասանելի մակերեսը։ Հիդրոլիզից առաջ կամ դրա վաղ փուլում սուբստրատը ֆիզիկապես նախապատրաստելով՝ ուլտրաձայնային մշակումը չեզոքացնում է բյուրեղայնության բացասական ազդեցությունը և ստեղծում ավելի բարենպաստ միկրոմիջավայր ֆերմենտային ներգործության համար՝ ձևավորելով բարձր արդյունավետությամբ հիմք կայուն դեպոլիմերացման համար։
Կուտինազային կենսակատալիզատորների սիներգիկ ակտիվացում
Հզոր ուլտրաձայնի համակցումը կուտինազ ֆերմենտների, մասնավորապես՝ Thermobifida cellulosilytica կուտինազ 1-ի (Thc_cut1) հետ դրսևորում է ուժեղ սիներգիկ փոխազդեցություն, որն առավելագույնի է հասցնում կատալիտիկ շրջապտույտը՝ պահպանելով ֆերմենտի ամբողջականությունը։ Շարունակական ուլտրաձայնային ճառագայթում ապահովելու փոխարեն՝ հիդրոլիզի սկզբում ակտիվացման կարճ՝ 10 րոպեանոց փուլի կիրառումը նախապատրաստում է համակարգը՝ հանգեցնելով քայքայման այնպիսի արգասիքների արտազատման ուշագրավ՝ 5,2–6,6 անգամ աճի, ինչպիսիք են TA-ն և MHET-ը։ Ակուստիկ էներգիայի այս կարճատև ազդակը, հավանաբար, բարելավում է ֆերմենտի շարժունակությունը, ուժեղացնում միջֆազային թրջումը և ժամանակավորապես փոփոխում պոլիմերի մակերեսը՝ նպաստելով կատալիտիկ կապմանը՝ առանց սպիտակուցը դենատուրացնելու։ Բարձր էներգիայի ներմուծումը ռեակցիայի ամբողջ տևողությունից առանձնացնելով՝ ուլտրաձայնային մշակման և կուտինազի սիներգիան ապահովում է դեպոլիմերացման արդյունավետության զգալի աճ՝ միաժամանակ պահպանելով կենսակատալիզատորի կայունությունը և նվազեցնելով գործընթացի ընդհանուր էներգասպառումը։
Սուբստրատի մորֆոլոգիան և գործընթացի մասշտաբի մեծացման հնարավորությունը
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ PET-ի ֆերմենտային վերամշակման հաջողության վրա մեծ ազդեցություն ունեն սուբստրատի երկրաչափությունն ու ֆիզիկական ձևը, ընդ որում՝ փոշենման սուբստրատները հետևողականորեն ավելի լավ արդյունքներ են տալիս, քան հոծ թաղանթները։ Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային ակտիվացումը PET-ի փոշիների դեպքում մոտավորապես երեք անգամ ավելի արդյունավետ է, քան թաղանթների դեպքում՝ հիմնականում այն պատճառով, որ հատիկավոր ձևաբանությունն ապահովում է ֆերմենտային հիդրոլիզի համար շատ ավելի մեծ և հասանելի մակերես։ Թեև ցածր բյուրեղայնությամբ փոշիները (օրինակ՝ 8%) արագ և հուսալի քայքայում են ցուցաբերում, նույնիսկ կառուցվածքավորված սուբստրատները, ինչպիսիք են 7% բյուրեղայնությամբ PET-ի թաղանթները, ցուցաբերում են չափելի առավելություններ, օրինակ՝ TA-ի արտազատման 1,2 անգամ աճ՝ ռեակցիայի երկարատև՝ 72-ժամյա ժամանակահատվածների ընթացքում։ Ձևաբանությունից այս կախվածություններն ընդգծում են ուլտրաձայնային պարամետրերը սուբստրատի բնութագրերին համապատասխանեցնելու անհրաժեշտությունը՝ ապացուցելով, որ նպատակային ուլտրաձայնային մշակումը կարող է արդյունավետորեն կապել լաբորատոր մասշտաբի ֆերմենտային վերամշակումը պլաստիկ թափոնները արժեքավոր նյութերի վերածելու՝ մասշտաբի մեծացման ենթակա և արդյունաբերական առումով կենսունակ գործընթացների հետ։
Հզոր ուլտրաձայնը բարելավում է պոլիէթիլենտերեֆտալատի (PET) ապապոլիմերացումը՝ արդյունավետ վերամշակման համար
Բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային պրոցեսորներ՝ ֆերմենտային ռեակցիաների համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը երկարամյա փորձ ունի լաբորատոր և արդյունաբերական պայմաններում բարձր հզորություն պահանջող կիրառությունների համար բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքերի նախագծման, արտադրության և մատակարարման ոլորտում։ Բարդ ուլտրաձայնային մշակման վերաբերյալ մեր գիտելիքներն ու փորձը մեր հաճախորդներին տրամադրվող առաջարկի մասն են կազմում։
Մենք ուղղորդում ենք մեր հաճախորդներին՝ առաջին խորհրդատվությունից, իրագործելիության փորձարկումներից և գործընթացի օպտիմալացումից մինչև ձեր ուլտրաձայնային համակարգի վերջնական տեղադրումն ու շահագործումը։
Մեր ճշգրիտ կառավարելի ուլտրաձայնային սարքերը թույլ են տալիս ազդել ֆերմենտի ակտիվության, կինետիկայի, թերմոդինամիկական հատկությունների, ինչպես նաև մշակման ջերմաստիճանի վրա։
Մեր հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային պրոցեսորների տեսականին ընդգրկում է ամբողջ շարքը՝ կոմպակտ ձեռքի լաբորատոր սարքից մինչև սեղանադիր և լիովին արդյունաբերական պրոցեսորներ։ 200 վատտից սկսած՝ բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը հագեցած են թվային սենսորային էկրանով, խելացի ծրագրային ապահովմամբ, դիտարկիչի միջոցով հեռակառավարմամբ և ներկառուցված SD քարտի վրա տվյալների ավտոմատ գրանցմամբ։ Ուլտրաձայնային մշակման ցիկլի անհատապես կարգավորվող ռեժիմը (իմպուլսային ռեժիմ) թույլ է տալիս սահմանել և վերահսկել ֆերմենտի՝ ուլտրաձայնային մշակման ենթարկվելը (ազդեցության տևողությունն ու հանգստի ժամանակահատվածները)։ Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս դրանք շահագործել 24/7՝ ծանրաբեռնված աշխատանքի ռեժիմով և խստապահանջ միջավայրերում։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին.
| Խմբաքանակի ծավալ | Ծավալային հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | սարքերի համախումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Պլաստիկի ֆերմենտային վերամշակման մասին
Տերևների և ճյուղերի կոմպոստի կուտինազ հիդրոլիտիկ ֆերմենտը (LLC) հանդիպում է բնության մեջ և խզում պոլիէթիլենտերեֆտալատի (PET) երկու կառուցվածքային բաղադրիչների՝ տերեֆտալատի և էթիլենգլիկոլի միջև կապերը։ Սակայն ֆերմենտի ընդհանուր արդյունավետությունն ու ջերմազգայունությունը ռեակցիան սահմանափակող գործոններ են, որոնք զգալիորեն նվազեցնում են գործընթացի արդյունավետությունը։ Տերևների և ճյուղերի կոմպոստի կուտինազ ֆերմենտը սկսում է քայքայվել 65°C ջերմաստիճանում, մինչդեռ PET-ի քայքայման գործընթացների համար պահանջվում է 72°C կամ ավելի բարձր ջերմաստիճան՝ սկսած այն ջերմաստիճանից, որի դեպքում PET-ը սկսում է հալվել։ Հալված PET-ը գործընթացի կարևոր գործոն է, քանի որ հալույթն ապահովում է ավելի մեծ մակերես, որի վրա ֆերմենտը կարող է գործել։
Հետազոտողները վերակառուցել են բնության մեջ հանդիպող՝ տերևների և ճյուղերի կոմպոստի կուտինազ ֆերմենտը և փոխել դրա կապման տեղամասերի ամինաթթուները։ Արդյունքում ստացվել է մուտանտ ֆերմենտ, որը PET-ի կապերը խզելիս ցուցաբերում է 10 000 անգամ բարձր ակտիվություն (բնական LLC ֆերմենտի համեմատ) և զգալիորեն բարելավված ջերմակայունություն։ Սա նշանակում է, որ նոր մուտանտ ֆերմենտը չի քայքայվում 72°C ջերմաստիճանում, որի դեպքում PET-ը սկսում է հալվել։
Ուլտրաձայնային դիսպերգումն ու մակերեսի ակտիվացումը խթանում են ֆերմենտներով պայմանավորված կատալիտիկ ռեակցիան։ Ուլտրաձայնային մշակման որոշակի պարամետրեր, օրինակ՝ ուլտրաձայնի ամպլիտուդը, տևողությունը, ջերմաստիճանն ու ճնշումը, կարելի է ճշգրիտ կարգավորել ըստ ֆերմենտի տեսակի՝ դրա կատալիտիկ ակտիվությունը բարձրացնելու համար։ Ուլտրաձայնային մշակման պարամետրերը և ֆերմենտների վրա դրանց ազդեցությունները կախված են ֆերմենտի կոնկրետ տեսակից, դրա ամինաթթվային կազմից և կոնֆորմացիոն կառուցվածքից։ Այսպիսով, ֆերմենտի յուրաքանչյուր տեսակ ունի գործընթացի օպտիմալ պայմաններ, որոնց դեպքում ապահովվում է ֆերմենտի օպտիմալ ակտիվացումը։
Ֆերմենտի և սուբստրատի ուլտրաձայնային դիսպերգում
Ուլտրաձայնով առաջացվող սահքն ու միկրոտուրբուլենտությունը հայտնի են դիսպերգման կիրառություններում իրենց բարձր արդյունավետությամբ։ Ֆերմենտային ագրեգատների, ինչպես նաև սուբստրատի ագլոմերատների՝ ուլտրաձայնով հարուցված դիսպերգումը բարելավում է ֆերմենտային կատալիտիկ ակտիվությունը, քանի որ մոլեկուլային ագրեգատների և ագլոմերատների քայքայումը մեծացնում է ֆերմենտների և սուբստրատի միջև ռեակցիայի համար հասանելի ակտիվ մակերեսը։
Ուլտրաձայնով խթանված կուտինազ ֆերմենտ
Ուլտրաձայնային մշակումը լավ արդյունքներ է ցույց տվել utinase Thc_Cut1 ֆերմենտի ակտիվացման առումով՝ կապված PET-ի հիդրոլիզի ժամանակ դրա ակտիվության հետ։ Ուլտրաձայնով ուժեղացված՝ PET-ի ֆերմենտային քայքայումը հանգեցրել է արտազատված քայքայման արգասիքների քանակի 6,6 անգամ ավելացման՝ չմշակված PET-ի համեմատ։ PET-ի փոշում և թաղանթներում բյուրեղային բաժնի ավելացումը (28%) հանգեցրել է հիդրոլիզի ավելի ցածր ելքերի, ինչը կարող էր կապված լինել մակերեսի նվազած հասանելիության հետ։ (cf. Nikolaivits et al. 2018)
Սեղանի UIP1500hdT ուլտրաձայնային սարք հոսքային բջջով՝ վերամշակման նպատակով PET-ի դեպոլիմերացման համար
Հաճախ տրվող հարցեր ուլտրաձայնով ինտենսիվացված՝ PET-ի ֆերմենտային դեպոլիմերացման մասին
Ինչպե՞ս է ուլտրաձայնը բարելավում PET-ի ֆերմենտային վերամշակումը։
Ուլտրաձայնը ուժեղացնում է պոլի(էթիլենտերեֆտալատի) (PET) ֆերմենտային հիդրոլիզը՝ զգալիորեն ավելացնելով ռեակցիայի ընթացքում քայքայման արգասիքների արտազատումը։ Ուլտրաձայնային էներգիայով ակտիվացման կարճ փուլի կիրառումը կարող է հանգեցնել մոնոմերների ելքի էական աճի՝ սովորական ֆերմենտային մեթոդների համեմատ։
Ինչպե՞ս է PET-ի բյուրեղայնությունն ազդում ուլտրաձայնով ուժեղացված հիդրոլիզի արդյունավետության վրա։
PET-ի բյուրեղայնությունը բացասական դեր է խաղում ֆերմենտային հիդրոլիզում. ավելի ցածր բյուրեղայնությամբ սուբստրատները քայքայվում են շատ ավելի արագ։ Օրինակ՝ ուլտրաձայնային ակտիվացման ենթարկվելիս 8% բյուրեղայնությամբ PET-ի փոշին հիդրոլիզվել է զգալիորեն ավելի արագ, քան 28% բյուրեղայնությամբ PET-ը։
Արդյո՞ք PET սուբստրատի ֆիզիկական ձևը (փոշի կամ թաղանթ) ազդում է ուլտրաձայնի արդյունավետության վրա։
Այո՛, սուբստրատի ֆիզիկական ձևը զգալիորեն ազդում է արդյունքների վրա։ Ուլտրաձայնային ակտիվացումը PET-ի փոշիների դեպքում մոտավորապես երեք անգամ ավելի արդյունավետ է, քան թաղանթների դեպքում։ Այս տարբերությունը հիմնականում վերագրվում է նրան, որ փոշենման սուբստրատներում ֆերմենտային ազդեցության համար հասանելի մակերեսն ավելի մեծ է, քան համատարած թաղանթներում։
Ո՞ր ֆերմենտն է սովորաբար օգտագործվում ուլտրաձայնի օժանդակությամբ PET-ի քայքայման համար։
Thermobifida cellulosilytica կուտինազ 1 (Thc_cut1) ֆերմենտը սովորաբար օգտագործվում է ուլտրաձայնով ակտիվացված PET-ի հիդրոլիզի գործընթացներում։ Այս կենսակատալիզատորը ցուցաբերում է բարելավված ակտիվություն, երբ ռեակցիան սկսվում է ուլտրաձայնային էներգիայի կարճատև իմպուլսով։
Արդյո՞ք ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է PET-ի ապապոլիմերացման այլ ուղիներին։
Այո՛, հզոր ուլտրաձայնը նպաստում է հիմնային, թթվային կամ չեզոք հիդրոլիզին, էթիլենգլիկոլով գլիկոլիզին, մեթանոլիզին, կատալիտիկ սոլվոլիզին, ինչպես նաև PET-ի ֆերմենտային հիդրոլիզին։
Իմացե՛ք, թե ինչպես է ուլտրաձայնային մշակումն ուժգնացնում PET-ի հիմնային հիդրոլիզը։
Ի՞նչ է ակուստիկ կավիտացիան։
Ցածր հաճախականության, բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային մշակումը (մոտավորապես 20 – 50kHz) առաջացնում է ակուստիկ / ուլտրաձայնային կավիտացիա, որն առաջ է բերում ֆիզիկական, մեխանիկական և քիմիական ազդեցություններ։ Ակուստիկ կավիտացիայի ազդեցությունները կարող են դիտվել որպես վակուումային մանր պղպջակների առաջացում, աճ և դրան հաջորդող ուժգին փլուզում, որոնք տեղի են ունենում հեղուկի մեջ հաղորդված ուլտրաձայնային ալիքների ճնշման տատանումների հետևանքով։ Կավիտացիոն պղպջակների՝ դեպի ներս ուղղված փլուզման ընթացքում առաջանում են այսպես կոչված թեժ կետեր, որոնք սահմանափակված են փոքր տարածությամբ և կարճ տևողությամբ։ Տեղային այս թեժ կետերը բնութագրվում են առնվազն 5000 K ջերմաստիճանի հասնող ինտենսիվ տաքացմամբ, մինչև 1200 bar ճնշմամբ և միլիվայրկյանների ընթացքում առաջացող ջերմաստիճանի ու ճնշման մեծ տարբերություններով։ Հեղուկի կաթիլներն ու մասնիկներն արագացվում են՝ ձևավորելով մինչև 208m/s արագությամբ հեղուկային շիթեր։
Ֆերմենտների ուլտրաձայնային մշակումը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի և դրա հիդրոդինամիկական սահքի ուժերի վրա
Գրականություն / Հղումներ
- Alessandro Pellis, Caroline Gamerith, Gagik Ghazaryan, Andreas Ortner, Enrique Herrero Acero, Georg M. Guebitz (2016): Ultrasound-enhanced enzymatic hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Bioresource Technology, Volume 218, 2016. 1298-1302.
- Nutan Rajesh Paliwal, Arvind Kumar Mungray (2013): Ultrasound assisted alkaline hydrolysis of poly(ethylene terephthalate) in presence of phase transfer catalyst. Polymer Degradation and Stability, Volume 98, Issue 10, 2013. 2094-2101.
- 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.
- Bhogle, C. S.; and Pandit, A. B. (2018): Ultrasound-Assisted Alkaline Hydrolysis of Waste Poly(Ethylene Terephthalate) in Aqueous and Non-aqueous Media at Low Temperature. Indian Chemical Engineer, 60(2), 2018. 122–140.
- 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.