Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Riciclaggio enzimatico della plastica promosso ad ultrasuoni

Il polietilene tereftalato (PET) è un'enorme fonte di rifiuti proveniente principalmente da bottiglie di acqua e bevande usate. Fino a poco tempo fa, il riciclaggio del PET ha prodotto plastica 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 ad ultrasuoni mostrano una maggiore efficienza, accelerando il riciclaggio enzimatico della plastica e aumentando le capacità di processo.

Ultrasuoni per il riciclaggio enzimatico della plastica

L'ultrasuonicazione ad alta intensità e a bassa frequenza è ben nota per i suoi effetti sulle reazioni enzimatiche. La sonicazione può essere utilizzata sia per l'attivazione che per l'inattivazione degli enzimi. La sonicazione controllata a bassa e media ampiezza attiva gli enzimi e promuove il trasferimento di massa tra gli enzimi e il substrato, che si traduce in un aumento dell'attività catalitica degli enzimi.
La sonicazione modifica le caratteristiche degli enzimi, promuovendo così l'attività degli enzimi. Il pretrattamento del substrato a ultrasuoni accelera le reazioni enzimatiche.
La miscelazione ad ultrasuoni ha favorito il trasferimento di massa tra gli enzimi e il substrato plastico, in modo che l'enzima possa penetrare e degradare la fusione del PET altamente cristallino. Essendo una tecnologia efficiente dal punto di vista energetico e facile da usare, la sonicazione aiuta a riciclare il PET in modo economico e rispettoso dell'ambiente.

Dispersione a ultrasuoni di enzima e substrato

Le cesoie e le microturbolenze generate ad ultrasuoni sono note per la loro elevata efficienza nelle applicazioni di dispersione. La dispersione indotta dagli ultrasuoni degli aggregati enzimatici e degli agglomerati di substrato migliora l'attività catalitica enzimatica poiché la scomposizione degli aggregati e degli agglomerati molecolari aumenta la superficie attiva tra gli enzimi e il substrato per la reazione.

Processore ad ultrasuoni UIP4000hdT, un potente reattore ad ultrasuoni da 4kW

UIP4000hdT, un potente processore a ultrasuoni da 4000 watt

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Enzima della cutinasi a ultrasuoni

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

Effetti ultrasonici sulle reazioni enzimatiche:

  • aumenta l'attività enzimatica
  • accelera le reazioni enzimatiche
  • si traduce in reazioni più complete

Informazioni sul riciclaggio enzimatico della plastica

L'enzima idrolizzante foglia-ramo compost cutinasi (LLC) si verifica in natura e taglia i legami tra i due blocchi di polietilene tereftalato (PET), tereftalato e glicole etilenico. Tuttavia, l'efficacia complessiva dell'enzima e la sua sensibilità al calore sono fattori che limitano la reazione e riducono significativamente l'efficienza del processo. L'enzima della cutinasi del compost a foglia inizia a degradarsi a 65°C, mentre i processi di degradazione del PET richiedono temperature di 72°C o superiori, la temperatura alla quale il PET inizia a fondere. Il PET fuso è un fattore di processo importante, poiché la fusione offre una superficie più elevata su cui l'enzima può lavorare.
I ricercatori hanno riprogettato l'enzima della cutinasi del compost cutinasi a foglia naturale e hanno modificato gli aminoacidi nei suoi siti di legame. Ciò ha portato ad 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 termica significativamente migliorata. Ciò significa che il nuovo enzima mutante non si scompone a 72°C, la temperatura alla quale il PET inizia a sciogliersi.
La dispersione ad ultrasuoni e l'attivazione superficiale promuove la reazione catalitica guidata enzimaticamente. Parametri specifici di sonicazione come l'ampiezza ultrasonica, il tempo, la temperatura e la pressione possono essere esattamente sintonizzati sul tipo di enzima per aumentare la sua attività catalitica. I parametri di elaborazione a ultrasuoni e i loro effetti sugli enzimi dipendono dal tipo di enzima specifico, dalla sua composizione aminoacidica e dalla struttura conformazionale. In questo modo, ogni tipo di enzima ha condizioni di processo ottimali in cui si ottiene un'attivazione enzimatica ottimale.

Vantaggi dell'ecografia

  • aumento del trasferimento di massa
  • Aumentata la costante del tasso
  • Aumento dell'efficienza catalitica
  • Precisamente controllabile per soddisfare lo sweet spot degli enzimi
  • Test senza rischi
  • Linearmente scalabile
  • Economico
  • Sicuro e semplice da usare
  • Bassa manutenzione
  • ROI veloce
  • Rispettoso dell'ambiente
Serbatoio ad ultrasuoni agitato per la lavorazione in batch

Serbatoio con ultrasuoni da 8kW (4x UIP2000hdT) e agitatore

Processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per reazioni enzimatiche

Hielscher Ultrasonics ha una lunga esperienza nella progettazione, produzione e distribuzione di ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di potenza in laboratorio e nell'industria. La nostra conoscenza ed esperienza nel sofisticato trattamento ad ultrasuoni fa parte dell'offerta che mettiamo a disposizione dei nostri clienti.
Guidiamo i nostri clienti dalla prima consulenza ai test di fattibilità e all'ottimizzazione del processo fino all'installazione e al funzionamento finale del vostro sistema a ultrasuoni.
I nostri dispositivi ad ultrasuoni controllabili con precisione permettono di influenzare l'attività enzimatica, la cinetica, le proprietà termodinamiche e la temperatura di lavorazione.
Il nostro portafoglio di potenti ed affidabili processori ad ultrasuoni copre l'intera gamma, dal compatto dispositivo da laboratorio portatile ai processori da banco e completamente industriali. A partire da 200 watt in su, tutti i dispositivi a ultrasuoni sono dotati di un display digitale a sfioramento, di un software intelligente, di un controllo remoto del browser e di un protocollo dati automatico su una scheda SD integrata. La modalità del ciclo di sonicazione regolabile individualmente (modalità pulsata) permette di impostare e controllare l'esposizione degli enzimi (tempo e periodi di riposo) al trattamento ad ultrasuoni. La robustezza dell'apparecchiatura ad ultrasuoni di Hielscher permette un funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
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. più grande cluster di UIP16000

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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la dispersione, l'emulsione e l'estrazione delle cellule.

Omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alta potenza di laboratorio a pilota e Industriale scala.

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

Forze di cavitazione acustica

Ultrasuoni a bassa frequenza e ad alta intensità (ca. 20 – 50kHz) provoca una cavitazione acustica / ultrasonica che produce effetti fisici, meccanici e chimici. Gli effetti della cavitazione acustica possono essere osservati come la formazione, la crescita e il successivo violento collasso di minuscole bolle di vuoto, che si verificano a causa delle fluttuazioni di pressione delle onde ultrasoniche accoppiate in un liquido. Durante l'implosione delle bolle di cavitazione si verificano i cosiddetti punti caldi, che sono confinati in uno spazio ridotto e di breve durata. Quei punti caldi che si verificano localmente sono caratterizzati da un intenso riscaldamento di almeno 5000 K, pressioni fino a 1200 bar e differenziali di temperatura e pressione elevati che si verificano nell'arco di millisecondi. Le gocce e le particelle del liquido vengono accelerate in getti di liquido con velocità fino a 208 m/s.

La cavitazione ultrasonica / acustica crea forze molto intense che attivano la superficie degli enzimi e favoriscono il trasferimento di massa tra gli enzimi e il substrato (Clicca per ingrandire!)

Il trattamento ad ultrasuoni degli enzimi si basa sulla cavitazione acustica e sulle sue forze di taglio idrodinamiche