Ուլտրաձայնային ուժեղացված ֆերմենտային պլաստիկային վերամշակում
Պոլիէթիլենային տերեֆտալատը (PET) թափոնների հսկայական աղբյուր է, որը հիմնականում գալիս է օգտագործված ջրի և ըմպելիքների շշերից: Մինչև վերջերս PET-ի վերամշակումը հանգեցնում էր ցածրորակ պլաստիկի: Նոր մուտանտ ֆերմենտը խոստանում է PET-ի քայքայումը մաքուր հումքի, որը կարող է օգտագործվել նոր բարձրորակ պլաստիկի համար: Ուլտրաձայնային խթանվող ֆերմենտները ցույց են տալիս ավելի բարձր արդյունավետություն՝ արագացնելով պլաստմասսաների ֆերմենտային վերամշակումը և մեծացնելով գործընթացի կարողությունները:
Ինչպես է ուժեղ ուլտրաձայնը ուժեղացնում ֆերմենտային PET վերամշակումը
- Կտրուկ մեծացնում է PET նյութերի հասանելի մակերեսը, դարձնելով փոշիաձև ձևերը բիոկատալիզին զգալիորեն ավելի արձագանքիչ, քան պինդ ֆիլմերը։
- Թուլացնում է պոլիմերների քրիստալայնության արգելքի ազդեցությունները, թույլ տալով ցածր քրիստալայնությամբ PET-ի հիդրոլիզը արագացված տեմպերով։
- ԿՄԱՆԿՈՒՅՆԻ,Որպես թիրախային ակտիվացման ազդանշան, որտեղ կարճ սկզբնական սոնիկացիան մեծապես մեծացնում է մոնոմերների, ինչպիսիք են տերեֆթալային թթուն (TA) և MHET, ազատումը։
- Բարելավում է զանգվածի փոխանցումը և ֆերմենտի և պոլիմերի միջև ինտերֆեյսային կոնտակտը առանց խիստ ջերմային կամ քիմիական նախնական մշակման անհրաժեշտության։
- Ձևավորում է ամբողջական էներգիայի պահանջները՝ ուլտրաձայնային էներգիան սահմանափակելով կարճ ակտիվացման փուլի համար՝ առանց շարունակական ռեակցիայի պայմանների։
Sonicator համակարգ ֆերմենտային ռեակցիաների ինտենսիվացման համար
Ֆիզիկական խոչընդոտների հաղթահարում ակուստիկ կավիտացիայի միջոցով
Պոլի(էթիլենային տերեֆտալատ) (PET) կենսաբանական վերամշակման նկատմամբ զգալի անհամապատասխանություն է առաջացնում՝ շնորհիվ իր բարձր մոլեկուլային քաշի, հիդրոֆոբության և կիսաբյուրեղային կառուցվածքի, որոնք բնականաբար սահմանափակում են ֆերմենտի ներթափանցումը և կատալիտիկ շփումը: Ուլտրաձայնային ճառագայթումը արդյունավետորեն վերացնում է այս ֆիզիկական սահմանափակումները՝ առաջացնելով ակուստիկ կավիտացիա, որն առաջացնում է տեղայնացված միկրոխառնում, մեխանիկական կտրվածքային ուժեր և վերահսկվող ջերմային տատանումներ պոլիմեր-լուծիչ միջերեսում: Այս ակուստիկ էներգիան ուռեցնում է պոլիմերային մատրիցը, խաթարում է կոշտ բյուրեղային տիրույթները և կտրուկ մեծացնում բիոկատալիստի կցման հասանելի մակերեսը: Հիդրոլիզից առաջ կամ վաղ փուլի ընթացքում ենթաշերտը ֆիզիկապես կոնդիցիոներացնելով, sonication-ը չեզոքացնում է բյուրեղականության բացասական ազդեցությունը և ստեղծում է ավելի բարենպաստ միկրոմիջավայր ֆերմենտային հարձակման համար՝ ստեղծելով բարձր արդյունավետ հիմք կայուն ապապոլիմերացման համար:
Կուտինազային կենսակատալիզատորների սիներգետիկ ակտիվացում
Էլեկտրական ուլտրաձայնի ինտեգրումը կուտինազային ֆերմենտների, մասնավորապես Thermobifida cellulosilytica cutinase 1-ի (Thc_cut1) հետ, ցույց է տալիս հզոր սիներգետիկ հարաբերություն, որը առավելագույնի է հասցնում կատալիտիկ շրջանառությունը՝ միաժամանակ պահպանելով ֆերմենտի ամբողջականությունը: Շարունակական ուլտրաձայնային ճառագայթումը պահպանելու փոխարեն, հիդրոլիզի սկզբում կիրառելով կարճատև 10 րոպե ակտիվացման փուլ, համակարգը պրիմացնում է, ինչը հանգեցնում է 5,2-ից 6,6 անգամ ուշագրավ աճի դեգրադացիայի արտադրանքի, ինչպիսիք են TA-ն և MHET-ը: Ակուստիկ էներգիայի այս կարճ պոռթկումը, հավանաբար, բարելավում է ֆերմենտների շարժունակությունը, ուժեղացնում է միջերեսային թրջումը և ժամանակավորապես փոփոխում է պոլիմերային մակերեսը՝ նպաստելու կատալիտիկ կապին՝ առանց սպիտակուցը դենատուրացնելու: Արձագանքման ամբողջ ժամանակացույցից անջատելով բարձր էներգիայի ներդրումը, ձայնային-կուտինազային սիներգիան ապահովում է զգալի ձեռքբերումներ դեպոլիմերացման արդյունավետության մեջ՝ միաժամանակ պահպանելով կենսակատալիստի կայունությունը և նվազեցնելով գործընթացի էներգիայի ընդհանուր սպառումը:
Ենթաշերտի մորֆոլոգիա և գործընթացի մասշտաբայնություն
Ուլտրաձայնային օգնությամբ ֆերմենտային PET-ի վերամշակման հաջողությունը մեծապես ազդում է ենթաշերտի երկրաչափության և ֆիզիկական ձևի վրա, որտեղ փոշիացված ենթաշերտերը հետևողականորեն գերազանցում են շարունակական թաղանթները: Ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային ակտիվացումը մոտավորապես երեք անգամ ավելի արդյունավետ է PET փոշիների վրա, քան թաղանթները, հիմնականում այն պատճառով, որ հատիկավոր մորֆոլոգիան ապահովում է շատ ավելի մեծ և մատչելի մակերես ֆերմենտային հիդրոլիզի համար: Թեև ցածր բյուրեղության փոշիները (օրինակ՝ 8%) արագ և ամուր քայքայում են, նույնիսկ կառուցվածքային ենթաշերտերը, ինչպիսիք են 7% բյուրեղային PET թաղանթները, ցույց են տալիս չափելի օգուտներ, ինչպիսիք են TA-ի թողարկման 1,2 անգամ բարելավումը երկարաձգված 72-ժամյա արձագանքման ժամանակաշրջանների ընթացքում: Այս մորֆոլոգիական կախվածությունները ընդգծում են ուլտրաձայնային պարամետրերը ենթաշերտի բնութագրերին համապատասխանեցնելու անհրաժեշտությունը՝ ապացուցելով, որ ռազմավարական հնչյունավորումը կարող է արդյունավետորեն կամրջել լաբորատոր մասշտաբի ֆերմենտային վերամշակումը մասշտաբային, արդյունաբերապես կենսունակ պլաստիկ թափոնների արժեքավորմամբ:
Ուլտրաձայնային էներգիան բարելավում է պոլիէթիլենտերիֆթալատի (PET) դեպոլիմերիզացումը արդյունավետ վերամշակման համար
Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային պրոցեսորներ ֆերմենտային ռեակցիաների համար
Hielscher Ultrasonics-ը երկար ժամանակ փորձառու է լաբորատորիայում և արդյունաբերության մեջ էլեկտրաէներգիայի կիրառման համար բարձրորակ ուլտրաձայնային սարքերի նախագծման, արտադրության և բաշխման մեջ: Մեր գիտելիքներն ու փորձը բարդ ուլտրաձայնային մշակման մեջ մեր հաճախորդներին տրամադրվող առաջարկի մի մասն է:
Մենք ուղղորդում ենք մեր հաճախորդներին տեխնիկատնտեսական հիմնավորման և գործընթացի օպտիմալացման վերաբերյալ առաջին խորհրդակցությունից մինչև ձեր ուլտրաձայնային համակարգի վերջնական տեղադրումն ու շահագործումը:
Մեր ճշգրիտ կառավարվող ուլտրաձայնային սարքերը թույլ են տալիս ազդել ֆերմենտների գործունեության, կինետիկայի, թերմոդինամիկական հատկությունների, ինչպես նաև մշակման ջերմաստիճանի վրա:
Հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային պրոցեսորների մեր պորտֆոլիոն ընդգրկում է ամբողջ տեսականին` կոմպակտ ձեռքի լաբորատոր սարքից մինչև նստարանային և լիովին արդյունաբերական պրոցեսորներ: 200 վտ-ից սկսած բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը հագեցած են թվային սենսորային էկրանով, խելացի ծրագրաշարով, բրաուզերի հեռակառավարմամբ և տվյալների ավտոմատ արձանագրումով ինտեգրված SD-քարտով: Անհատականորեն կարգավորվող ձայնային ցիկլի ռեժիմը (puls ռեժիմ) թույլ է տալիս սահմանել և վերահսկել ֆերմենտի ազդեցությունը (ժամանակ և հանգստի ժամանակահատվածներ) ուլտրաձայնային բուժման համար: Hielscher-ի ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունը թույլ է տալիս 24/7 աշխատել ծանր պարտականությունների ժամանակ և պահանջկոտ միջավայրերում:
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1-ից 500 մլ | 10-ից 200 մլ / րոպե | UP100H |
| 10-ից 2000 մլ | 20-ից 400 մլ / րոպե | UP200Ht, UP400 Փ |
| 0.1-ից 20լ | 0.2-ից 4լ/րոպե | UIP2000hdT |
| 10-ից 100 լ | 2-ից 10 լ / րոպե | UIP4000hdT |
| ԱԺ | 10-ից 100 լ / րոպե | UIP16000 |
| ԱԺ | ավելի մեծ | կլաստերի UIP16000 |
Կապ մեզ հետ: / Հարցրեք մեզ:
Enzymatic Plastic Recycling-ի մասին
Հիդրոլիզային ֆերմենտը տերևային ճյուղային կոմպոստ կուտինազա (ՍՊԸ) հանդիպում է բնության մեջ և կտրում է պոլիէթիլենային տերեֆտալատի (PET), տերեֆտալատի և էթիլեն գլիկոլի երկու շինանյութերի միջև կապերը: Այնուամենայնիվ, ֆերմենտի ընդհանուր արդյունավետությունը և ջերմության նկատմամբ զգայունությունը ռեակցիան սահմանափակող գործոններ են, որոնք զգալիորեն նվազեցնում են գործընթացի արդյունավետությունը: Տերևի ճյուղային կոմպոստի կուտինազա ֆերմենտը սկսում է քայքայվել 65°C-ում, մինչդեռ PET-ի քայքայման գործընթացները պահանջում են 72°C կամ ավելի բարձր ջերմաստիճան, այն ջերմաստիճանը, որում PET-ը սկսում է հալվել: Հալած PET-ը գործընթացի կարևոր գործոն է, քանի որ հալվածքն առաջարկում է ավելի բարձր մակերես, որտեղ ֆերմենտը կարող է աշխատել:
Հետազոտողները վերամշակել են բնական տերևային ճյուղերի կոմպոստի կուտինազ ֆերմենտը և փոխել ամինաթթուները դրա միացման վայրերում: Սա հանգեցրեց մուտանտ ֆերմենտի, որը ցույց է տալիս 10,000 անգամ ավելացած ակտիվություն PET կապերը կոտրելու համար (համեմատած բնիկ ՍՊԸ ֆերմենտի հետ) և զգալիորեն բարելավված ջերմային կայունություն: Սա նշանակում է, որ նոր մուտանտ ֆերմենտը չի քայքայվում 72°C ջերմաստիճանում, այն ջերմաստիճանում, երբ PET-ը սկսում է հալվել:
Ուլտրաձայնային ցրումը և մակերեսային ակտիվացումը նպաստում են ֆերմենտային կատալիտիկ ռեակցիային: Հնչեցման հատուկ պարամետրեր, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային ամպլիտուդը, ժամանակը, ջերմաստիճանը և ճնշումը, կարող են ճշգրտորեն կարգավորվել ֆերմենտի տեսակին՝ նրա կատալիտիկ ակտիվությունը բարձրացնելու համար: Ուլտրաձայնային մշակման պարամետրերը և դրանց ազդեցությունը ֆերմենտների վրա կախված են ֆերմենտի հատուկ տեսակից, նրա ամինաթթուների կազմից և կոնֆորմացիոն կառուցվածքից: Այսպիսով, յուրաքանչյուր ֆերմենտի տիպ ունի օպտիմալ գործընթացի պայմաններ, որոնցում ձեռք է բերվում ֆերմենտի օպտիմալ ակտիվացում:
Ֆերմենտի և սուբստրատի ուլտրաձայնային ցրում
Ուլտրաձայնային եղանակով առաջացած կտրվածքը և միկրո տուրբուլենցիաները հայտնի են իրենց բարձր արդյունավետությամբ, երբ խոսքը վերաբերում է կիրառությունների ցրմանը: Ֆերմենտային ագրեգատների, ինչպես նաև ենթաշերտի ագլոմերատների ուլտրաձայնային ազդեցությամբ ցրվածությունը բարելավում է ֆերմենտային կատալիտիկ ակտիվությունը, քանի որ մոլեկուլային ագրեգատների և ագլոմերատների քայքայումը մեծացնում է ակտիվ մակերևույթը ֆերմենտների և սուբստրատի միջև ռեակցիայի համար:
Ուլտրաձայնային խթանվող կուտինազային ֆերմենտ
Sonication-ը լավ արդյունքներ է ցույց տվել ուտինազ Thc_Cut1 ֆերմենտի ակտիվացման մեջ՝ կապված նրա PET հիդրոլիզի ակտիվության հետ: PET-ի ուլտրաձայնային ուժեղացված ֆերմենտային դեգրադացիան հանգեցրել է 6.6 անգամ ավելացված դեգրադացման արտադրանքի 6,6 անգամ ավելացմանը՝ համեմատած չմշակված PET-ի հետ: PET փոշու և թաղանթների բյուրեղային տոկոսի (28%) աճը հանգեցրեց հիդրոլիզի ցածր ելքի, ինչը կարող է կապված լինել մակերեսի ցածր հասանելիության հետ: (տես Նիկոլաիվից և այլք 2018 թ.)
Դասարանական սոնիկատոր UIP1500hdT հոսքի բջջով PET-ի դեպոլիմերիզման համար վերամշակՄան նպատակով
Հաճախակի տրվող հարցեր ուլտրաձայնային ուժեղացված ֆերմենտային PET ապապոլիմերացման մասին
Ինչպե՞ս է ուլտրաձայնը բարելավում PET-ի ֆերմենտային վերամշակումը:
Ուլտրաձայնային հետազոտությունը ուժեղացնում է պոլի(էթիլեն տերեֆտալատի) (PET) ֆերմենտային հիդրոլիզը՝ զգալիորեն մեծացնելով դեգրադացիայի արտադրանքի արտազատումը ռեակցիայի ընթացքում: Ուլտրաձայնային էներգիայով կարճ ակտիվացման փուլի կիրառումը կարող է հանգեցնել մոնոմերի եկամտաբերության զգալի աճի՝ համեմատած սովորական ֆերմենտային մեթոդների հետ:
Ինչպե՞ս է PET-ի բյուրեղությունն ազդում ուլտրաձայնային ուժեղացված հիդրոլիզի արդյունավետության վրա:
PET բյուրեղությունը բացասական դեր է խաղում ֆերմենտային հիդրոլիզում; Ավելի ցածր բյուրեղություն ունեցող ենթաշերտերը շատ ավելի արագ են քայքայվում: Օրինակ, 8% բյուրեղությամբ PET փոշին զգալիորեն ավելի արագ է հիդրոլիզացվել, քան PET-ը 28% բյուրեղականությամբ, երբ ենթարկվում է ուլտրաձայնային ակտիվացման:
Արդյո՞ք PET սուբստրատի ֆիզիկական ձևը (փոշի ընդդեմ թաղանթի) ազդում է ուլտրաձայնային արդյունավետության վրա:
Այո, սուբստրատի ֆիզիկական ձևը զգալիորեն ազդում է արդյունքների վրա: Ուլտրաձայնային ակտիվացումը մոտավորապես երեք անգամ ավելի արդյունավետ է PET փոշիների վրա, քան թաղանթների վրա: Այս տարբերությունը հիմնականում վերագրվում է փոշու սուբստրատներում ֆերմենտային հարձակման համար հասանելի ավելի մեծ մակերեսին, համեմատած շարունակական թաղանթների հետ:
Ո՞ր ֆերմենտն է սովորաբար օգտագործվում ուլտրաձայնային օգնությամբ PET քայքայման ժամանակ:
Թերմոբիֆիդա ցելուլոզիլիտիկա կուտինազա 1 (Thc_cut1) ֆերմենտը սովորաբար օգտագործվում է ուլտրաձայնի միջոցով ակտիվացված PET հիդրոլիզի գործընթացներում։ Այս բիոկատալիզատորը բարելավված ակտիվություն է ցուցադրում, երբ ռեակցիան սկսվում է ուլտրաձայնային էներգիայի կարճ պայթյունով։
Ո՞րն է, թե ուլտրաձայնը նպաստում է PET-ի այլ դեփոլիմերացման ուղիներին։
Այո, բարձր հզորության ուլտրաձայնը աջակցում է ալկալի, թթվային կամ նեյտրալ հիդրոլիզին; էթիլենգլիկոլի հետ գլիկոլիզին; մեթանոլիզին; կատալիտիկ սոլվոլիզին, ինչպես նաև ֆերմենտատիվ PET հիդրոլիզին։
Լրացուցիչ տեղեկացեք, թե ինչպես է ուլտրաձայնը ուժեղացնում PET-ի ալկալին հիդրոլիզը։
Ի՞նչ է ակուստիկ կավիտացիան:
Ցածր հաճախականության, բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային հետազոտություն (մոտ 20 – 50 կՀց) առաջացնում է ակուստիկ/ուլտրաձայնային կավիտացիա, որն առաջացնում է ֆիզիկական, մեխանիկական և քիմիական ազդեցություն: Ակուստիկ կավիտացիայի հետևանքները կարելի է դիտարկել որպես րոպեական վակուումային փուչիկների ձևավորում, աճ և հետագա կատաղի փլուզում, որոնք առաջանում են հեղուկի մեջ զուգակցված ուլտրաձայնային ալիքների ճնշման տատանումների պատճառով: Կավիտացիոն փուչիկների պայթեցման ժամանակ առաջանում են այսպես կոչված թեժ կետեր, որոնք սահմանափակվում են փոքր տարածությամբ և կարճ տևողությամբ։ Տեղական թեժ կետերը բնութագրվում են առնվազն 5000 Կ ինտենսիվ ջեռուցմամբ, մինչև 1200 բար ճնշումով և միլիվայրկյանների ընթացքում տեղի ունեցող բարձր ջերմաստիճանի և ճնշման տարբերությամբ: Հեղուկի կաթիլները և մասնիկները արագացվում են մինչև 208 մ/վ արագությամբ հեղուկ շիթերի մեջ:
Ֆերմենտների ուլտրաձայնային բուժումը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի և դրա հիդրոդինամիկ կտրող 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.