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.

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)

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.

Processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per reazioni enzimatiche

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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni: