Riciclaggio enzimatico della plastica promosso dagli ultrasuoni

Il polietilene tereftalato (PET) è un'enorme fonte di rifiuti provenienti soprattutto da bottiglie d'acqua e di bevande usate. Fino a poco tempo fa, il riciclo del PET dava luogo a plastiche di bassa qualità. Un nuovo enzima mutante promette la degradazione del PET in materia prima incontaminata, che può essere utilizzata per nuove plastiche di alta qualità. Gli enzimi promossi dagli ultrasuoni mostrano una maggiore efficienza, accelerando il riciclaggio enzimatico della plastica e aumentando le capacità di processo.

Ultrasuoni per il riciclo enzimatico della plastica

Gli ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza sono ben noti per i loro effetti sulle reazioni enzimatiche. La sonicazione può essere utilizzata sia per l'attivazione che per l'inattivazione degli enzimi. La sonicazione controllata a bassa o media ampiezza attiva gli enzimi e promuove il trasferimento di massa tra enzimi e substrato, con conseguente aumento dell'attività catalitica degli enzimi.
La sonicazione modifica le caratteristiche degli enzimi, promuovendone l'attività. Il pretrattamento del substrato con ultrasuoni accelera le reazioni enzimatiche.
La miscelazione a ultrasuoni ha favorito il trasferimento di massa tra gli enzimi e il substrato plastico, in modo che l'enzima possa penetrare e degradare il fuso di PET altamente cristallino. Essendo una tecnologia efficiente dal punto di vista energetico e facile da utilizzare, la sonicazione aiuta a riciclare il PET in modo economico e rispettoso dell'ambiente.

Dispersione a ultrasuoni di enzima e substrato

Le microturbolenze e il taglio generati dagli ultrasuoni sono ben noti per la loro elevata efficienza quando si tratta di applicazioni di dispersione. La dispersione indotta dagli ultrasuoni degli aggregati enzimatici e degli agglomerati di substrato migliora l'attività catalitica enzimatica, poiché la rottura degli aggregati molecolari e degli agglomerati aumenta la superficie attiva tra enzimi e substrato per la reazione.

Enzima cutinasi promosso dagli ultrasuoni

La sonicazione ha dato buoni risultati nell'attivazione dell'enzima utinasi Thc_Cut1 per quanto riguarda la sua attività di idrolisi del PET. La degradazione enzimatica del PET potenziata dagli ultrasuoni ha portato a un aumento di 6,6 volte dei prodotti di degradazione rilasciati rispetto al PET non trattato. Un aumento della percentuale di cristalli (28%) nella polvere e nelle pellicole di PET ha comportato una minore resa di idrolisi, che potrebbe essere correlata alla minore disponibilità di superficie. (cfr. Nikolaivits et al. 2018)

Informazioni sul riciclo enzimatico della plastica

L'enzima idrolizzante cutinasi del compost di rami fogliari (LLC) è presente in natura e taglia i legami tra i due elementi costitutivi del polietilentereftalato (PET), il tereftalato e il glicole etilenico. Tuttavia, l'efficacia complessiva dell'enzima e la sua sensibilità al calore sono fattori limitanti della reazione, che riducono notevolmente l'efficienza del processo. L'enzima cutinasi del compost fogliare inizia a degradarsi a 65°C, mentre i processi di degradazione del PET richiedono temperature di 72°C o superiori, temperatura alla quale il PET inizia a fondere. Il PET fuso è un fattore di processo importante, poiché la fusione offre una maggiore superficie su cui l'enzima può lavorare.
I ricercatori hanno reingegnerizzato l'enzima cutinasi presente in natura nella composta di rami fogliari, modificando gli amminoacidi nei suoi siti di legame. Il risultato è stato un enzima mutante che mostra un'attività aumentata di 10.000 volte nella rottura dei legami PET (rispetto all'enzima nativo LLC) e una stabilità al calore significativamente migliorata. Ciò significa che il nuovo enzima mutante non si rompe a 72°C, la temperatura a cui il PET inizia a sciogliersi.
La dispersione ultrasonica e l'attivazione della superficie favoriscono la reazione catalitica guidata dagli enzimi. I parametri specifici della sonicazione, come l'ampiezza degli ultrasuoni, il tempo, la temperatura e la pressione, possono essere regolati esattamente in base al tipo di enzima per aumentarne l'attività catalitica. I parametri di trattamento a ultrasuoni e i loro effetti sugli enzimi dipendono dal tipo specifico di enzima, dalla sua composizione aminoacidica e dalla struttura conformazionale. Pertanto, ogni tipo di enzima ha condizioni di processo ottimali in cui si ottiene l'attivazione ottimale dell'enzima.

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