ულტრაბგერით გაძლიერებული ფერმენტული პლასტიკის რეციკლირება
პოლიეთილენ ტერეფთალატი (PET) არის მასშტაბური ნარჩენების წყარო, რომელიც ძირითადად გამოყენებული წყლისა და სასმელი ბოთლებიდან მოდის. ბოლო დრომდე, PET-ის რეციკლირება დაბალი ხარისხის პლასტიკის მიღებით მთავრდებოდა. ახალი მუტანტი ფერმენტი გვთავაზობს PET-ის დაშლას სუფთა საწყის მასალად, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ახალი მაღალი ხარისხის პლასტიკისთვის. ულტრაბგერითი დამუშავებით გააქტიურებული ფერმენტები აჩვენებენ უფრო მაღალ ეფექტურობას, აჩქარებენ პლასტიკის ფერმენტულ რეციკლირებას და ზრდიენ პროცესის წარმადობას.
როგორ აძლიერებს სიმძლავრის ულტრაბგერა ფერმენტულ PET რეციკლირებას
- მკვეთრად ზრდის PET სუბსტრატების ხელმისაწვდომ ზედაპირის ფართობს, რის შედეგადაც ფხვნილოვანი ფორმები მნიშვნელოვნად უფრო მგრძნობიარე ხდება ბიოკატალიზის მიმართ, ვიდრე მყარი ფირები.
- ამცირებს პოლიმერული კრისტალურობის ინჰიბიტორულ ეფექტებს, რაც საშუალებას აძლევს დაბალი კრისტალურობის მქონე PET-ს, ჰიდროლიზი განიცადოს გაჩქარებული სიჩქარით.
- მოქმედებს როგორც მიზანმიმართული გააქტიურების ტრიგერი, სადაც მოკლე საწყისი ულტრაბგერითი დამუშავება მკვეთრად ზრდის მონომერების, როგორიცაა ტერეფთალის მჟავა (TA) და MHET, გამოყოფას.
- აუმჯობესებს მასის გადატანას და საზღვარზე კონტაქტს ფერმენტსა და პოლიმერს შორის, რისთვისაც არ არის საჭირო მკაცრი თერმული ან ქიმიური წინასწარი დამუშავება.
- ამცირებს ჯამურ ენერგეტიკულ მოთხოვნებს, რადგან ულტრაბგერითი ენერგია შეზღუდულია მოკლე გააქტიურების ფაზით, უწყვეტი რეაქციის პირობების ნაცვლად.
ულტრაბგერითი დამუშავების სისტემა ფერმენტული რეაქციების გასაძლიერებლად
ფიზიკური ბარიერების დაძლევა აკუსტიკური კავიტაციის მეშვეობით
პოლი(ეთილენ ტერეფთალატი) (PET) ავლენს მნიშვნელოვან გამძლეობას ბიოლოგიური რეციკლირების მიმართ თავისი მაღალი მოლეკულური მასის, ჰიდროფობულობისა და ნახევრად კრისტალური არქიტექტურის გამო, რაც ბუნებრივად ზღუდავს ფერმენტის შეღწევას და კატალიზურ კონტაქტს. ულტრაბგერითი გამოსხივება ეფექტურად ანგრევს ამ ფიზიკურ შეზღუდვებს აკუსტიკური კავიტაციის გენერირებით, რომელიც ქმნის ლოკალიზებულ მიკრო-შერევას, მექანიკურ ძვრის ძალებს და კონტროლირებად თერმულ ფლუქტუაციებს პოლიმერ-გამხსნელის საზღვარზე. ეს აკუსტიკური ენერგია აფართოებს პოლიმერულ მატრიცას, არღვევს მყარ კრისტალურ დომენებს და მკვეთრად ზრდის ბიოკატალიზატის მიმაგრებისთვის ხელმისაწვდომ ზედაპირის ფართობს. სუბსტრატის ფიზიკური დამუშავებით ჰიდროლიზის წინ ან მისი ადრეული ეტაპის განმავლობაში, ულტრაბგერითი დამუშავება ანეიტრალებს კრისტალურობის უარყოფით გავლენას და ქმნის უფრო ხელსაყრელ მიკროგარემოს ფერმენტული შეტევისთვის, რითაც დგება მაღალეფექტური საფუძველი მდგრადი დეპოლიმერიზაციისთვის.
კუტინაზა ბიოკატალიზატორების სინერგიული გააქტიურება
სიმძლავრის ულტრაბგერის ინტეგრაცია კუტინაზა ფერმენტებთან, განსაკუთრებით Thermobifida cellulosilytica კუტინაზა 1-თან (Thc_cut1), აჩვენებს ძლიერ სინერგიულ ურთიერთობას, რომელიც მაქსიმალურად ზრდის კატალიზურ გარდაქმნას ფერმენტის მთლიანობის შენარჩუნების პარალელურად. უწყვეტი ულტრაბგერითი გამოსხივების შენარჩუნების ნაცვლად, მოკლე 10-წუთიანი გააქტიურების ფაზის გამოყენება ჰიდროლიზის დასაწყისში ამზადებს სისტემას, რის შედეგადაც მიიღწევა დეგრადაციის პროდუქტების, როგორიცაა TA და MHET, გამოყოფის შესანიშნავი 5,2-დან 6,6-ჯერადი ზრდა. აკუსტიკური ენერგიის ეს მოკლე ნაკადი, სავარაუდოდ, აუმჯობესებს ფერმენტის მოძრაობას, აძლიერებს საზღვარზე დატენიანებას და დროებით ცვლის პოლიმერის ზედაპირს კატალიზური შეკავშირებისთვის ცილის დენატურაციის გარეშე. მაღალენერგეტიკული შეყვანის რეაქციის მთლიანი დროის ხაზიდან გამიჯვნით, ულტრაბგერითი დამუშავება-კუტინაზა სინერგია უზრუნველყოფს დეპოლიმერიზაციის ეფექტურობის მნიშვნელოვან მატებას ბიოკატალიზატორის სტაბილურობის შენარჩუნებისა და პროცესის ჯამური ენერგომოხმარების შემცირების პარალელურად.
სუბსტრატის მორფოლოგია და პროცესის მასშტაბირებადობა
ულტრაბგერითი დახმარებითი ფერმენტული PET რეციკლირების წარმატება მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული სუბსტრატის გეომეტრიასა და ფიზიკურ ფორმაზე, სადაც ფხვნილოვანი სუბსტრატები მუდმივად სჯობნის უწყვეტ ფირებს. კვლევები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი აქტივაცია დაახლოებით სამჯერ ეფექტურია PET ფხვნილებზე ფირებთან შედარებით, რაც ძირითადად იმით არის განპირობებული, რომ გრანულოვანი მორფოლოგია უზრუნველყოფს ფერმენტული ჰიდროლიზისთვის ბევრად უფრო დიდ და ხელმისაწვდომ ზედაპირულ ფართობს. მიუხედავად იმისა, რომ დაბალი კრისტალურობის მქონე ფხვნილები (მაგ., 8%) აჩვენებენ სწრაფ და მდგრად დეგრადაციას, სტრუქტურირებული სუბსტრატებიც კი, როგორიცაა 7% კრისტალური PET ფირები, ავლენენ გაზომვად სარგებელს, როგორიცაა TA გამოყოფის 1,2-ჯერ გაუმჯობესება გახანგრძლივებული 72-საათიანი რეაქციის პერიოდების განმავლობაში. ეს მორფოლოგიური დამოკიდებულებები ხაზს უსვამს ულტრაბგერითი პარამეტრების სუბსტრატის მახასიათებლებთან მორგების აუცილებლობას, რაც ადასტურებს, რომ სტრატეგიული ულტრაბგერითი დამუშავება შეუძლია ეფექტურად დააკავშიროს ლაბორატორიული მასშტაბის ფერმენტული რეციკლირება მასშტაბირებად, ინდუსტრიულად ცხოვრებისუნარიან პლასტიკური ნარჩენების ვალორიზაციასთან.
სიმძლავრის ულტრაბგერა აუმჯობესებს პოლიეთილენ ტერეფთალატის (PET) დეპოლიმერიზაციას ეფექტური რეციკლირებისთვის
მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი პროცესორები ფერმენტული რეაქციებისთვის
Hielscher Ultrasonics მრავალწლიანი გამოცდილება აქვს მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი გენერატორების დიზაინში, წარმოებასა და გავრცელებაში ლაბორატორიული და ინდუსტრიული სიმძლავრის დანიშნულებით. ჩვენი ცოდნა და გამოცდილება რთულ ულტრაბგერით დამუშავებაში არის ნაწილი იმ შეთავაზებისა, რომელსაც ჩვენს კლიენტებს ვთავაზობთ.
ჩვენ ვხელმძღვანელობთ ჩვენს კლიენტებს პირველი კონსულტაციიდან შესაძლებლობების ტესტირებისა და პროცესის ოპტიმიზაციის გავლით თქვენი ულტრაბგერითი სისტემის საბოლოო მონტაჟამდე და ექსპლუატაციამდე.
ჩვენი ზუსტად კონტროლირებადი ულტრაბგერითი მოწყობილობები საშუალებას იძლევა ვმართოთ ფერმენტული აქტივობა, კინეტიკა, თერმოდინამიკური თვისებები, ასევე დამუშავების ტემპერატურა.
ჩვენი მძლავრი და საიმედო ულტრაბგერითი პროცესორების პორტფელი მოიცავს სრულ დიაპაზონს კომპაქტური ხელის ლაბორატორიული მოწყობილობიდან სკამის ზომის და სრულად ინდუსტრიულ პროცესორებამდე. 200 ვატიდან ზევით, ყველა ულტრაბგერითი მოწყობილობა აღჭურვილია ციფრული შეხების ეკრანით, ინტელექტუალური პროგრამული უზრუნველყოფით, დისტანციური ბრაუზერის კონტროლით და ავტომატური მონაცემთა პროტოკოლირებით ინტეგრირებულ SD-ბარათზე. ინდივიდუალურად შესაკორექტირებელი ულტრაბგერითი დამუშავების ციკლის რეჟიმი (პულსის რეჟიმი) საშუალებას იძლევა დააყენოთ და აკონტროლოთ ფერმენტის ექსპოზიცია (დრო და დასვენების პერიოდები) ულტრაბგერით დამუშავებაზე. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აღჭურვილობის მდგრადობა საშუალებას იძლევა 24/7 ექსპლუატაციისა მძიმე და მკაცრ გარემოში.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი გენერატორების დაახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ:
| პარტიის მოცულობა | მოცულობითი ხარჯი | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500 mL-მდე | 10-დან 200 mL/min-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000 mL-მდე | 20-დან 400 mL/min-მდე | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-დან 20 L-მდე | 0,2-დან 4 L/min-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100 L-მდე | 2-დან 10 L/min-მდე | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-დან 100 L/min-მდე | UIP16000 |
| n.a. | მეტი | კლასტერი UIP16000 |
დაგვიკავშირდით! / დაგვისვით!
ფერმენტული პლასტიკის რეციკლირების შესახებ
ჰიდროლაზური ფერმენტი leaf-branch compost cutinase (LLC) ბუნებაში გვხვდება და შლის პოლიეთილენ ტერეფტალატის (PET) ორი საშენი ბლოკის, ტერეფტალატისა და ეთილენგლიკოლის, შორის არსებულ ბმებს. თუმცა, ფერმენტის ჯამური ეფექტურობა და მისი სითბომგრძნობელობა რეაქციის შემაფერხებელი ფაქტორებია, რაც პროცესის ეფექტურობას მნიშვნელოვნად ამცირებს. Leaf-branch compost cutinase ფერმენტი იწყებს დაშლას 65°C-ზე, მაშინ როცა PET-ის დაშლის პროცესები მოითხოვს 72°C-ს ან უფრო მაღალ ტემპერატურას, ტემპერატურას, რომელზეც PET იწყებს დნობას. გამდნარი PET მნიშვნელოვანი პროცესული ფაქტორია, რადგან ნადნობი უზრუნველყოფს უფრო დიდ ზედაპირის ფართობს, სადაც ფერმენტს შეუძლია იმუშაოს.
მეცნიერებმა ბუნებრივად არსებული leaf-branch compost cutinase ფერმენტი ხელახლა შექმნეს და შეცვალეს ამინომჟავები მისი შეკავშირების ადგილებში. ამან გამოიწვია მუტანტი ფერმენტი, რომელიც აჩვენებს PET ბმების დაშლაში 10 000-ჯერ გაზრდილ აქტივობას (ბუნებრივ LLC ფერმენტთან შედარებით) და მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულ თერმულ მდგრადობას. ეს ნიშნავს, რომ ახალი მუტანტი ფერმენტი არ იშლება 72°C-ზე, ტემპერატურაზე, რომელზეც PET იწყებს დნობას.
ულტრაბგერითი დისპერგირება და ზედაპირის აქტივაცია ხელს უწყობს ფერმენტულად განპირობებულ კატალიზურ რეაქციას. კონკრეტული ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები, როგორიცაა ულტრაბგერითი ამპლიტუდა, დრო, ტემპერატურა და წნევა, შეიძლება ზუსტად იყოს მორგებული ფერმენტის ტიპზე მისი კატალიზური აქტივობის გასაზრდელად. ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები და მათი გავლენა ფერმენტებზე დამოკიდებულია კონკრეტულ ფერმენტის ტიპზე, მის ამინომჟავურ შემადგენლობასა და კონფორმაციულ სტრუქტურაზე. შესაბამისად, თითოეულ ფერმენტის ტიპს აქვს ოპტიმალური პროცესული პირობები, რომლებშიც ფერმენტის ოპტიმალური აქტივაცია მიიღწევა.
ფერმენტისა და სუბსტრატის ულტრაბგერითი დისპერგია
ულტრაბგერითად წარმოქმნილი ძვრის ძალები და მიკროტურბულენტობები ცნობილია მათი მაღალი ეფექტურობით დისპერგიული დანიშნულების შემთხვევაში. ფერმენტული აგრეგატებისა და სუბსტრატული აგლომერატების ულტრაბგერითად ინდუცირებული დისპერგია აუმჯობესებს ფერმენტულ კატალიზურ აქტივობას, რადგან მოლეკულური აგრეგატებისა და აგლომერატების დაშლა ზრდის აქტიურ ზედაპირის ფართობს ფერმენტებსა და სუბსტრატს შორის რეაქციისთვის.
ულტრაბგერითად გააქტიურებული კუტინაზას ფერმენტი
ულტრაბგერითმა დამუშავებამ კარგი შედეგები აჩვენა ფერმენტ კუტინაზა Thc_Cut1-ის აქტივაციისას PET-ის ჰიდროლიზის უნარის თვალსაზრისით. ულტრაბგერით გაძლიერებულმა PET-ის ფერმენტულმა დაშლამ გამოიწვია გამოთავისუფლებული დაშლის პროდუქტების რაოდენობის 6,6-ჯერ ზრდა დაუმუშავებელ PET-თან შედარებით. PET-ის ფხვნილსა და ფირებში კრისტალური წილის ზრდამ (28%) გამოიწვია ჰიდროლიზის უფრო დაბალი გამოსავლიანობა, რაც შესაძლოა დაკავშირებული იყოს ზედაპირის ხელმისაწვდომობის შემცირებასთან. (იხ. Nikolaivits et al. 2018)
სამაგიდო ულტრაბგერითი დამუშავების სისტემა UIP1500hdT ნაკადის კამერით PET-ის დეპოლიმერიზაციისთვის რეციკლირების მიზნით
ხშირად დასმული კითხვები ულტრაბგერითად გაძლიერებული ფერმენტული PET დეპოლიმერიზაციის შესახებ
როგორ აუმჯობესებს ულტრაბგერა PET-ის ფერმენტულ რეციკლირებას?
ულტრაბგერა აძლიერებს პოლი(ეთილენ ტერეფტალატის) (PET) ფერმენტულ ჰიდროლიზს რეაქციის დროს დაშლის პროდუქტების გამოთავისუფლების მნიშვნელოვანი ზრდის ხარჯზე. ულტრაბგერითი ენერგიის მოკლე აქტივაციის ფაზის გამოყენებამ შეიძლება გამოიწვიოს მონომერების გამოსავლიანობის მნიშვნელოვანი ზრდა ტრადიციულ ფერმენტულ მეთოდებთან შედარებით.
როგორ მოქმედებს PET-ის კრისტალურობა ულტრაბგერითად გაძლიერებული ჰიდროლიზის ეფექტურობაზე?
PET-ის კრისტალურობა უარყოფით როლს თამაშობს ფერმენტულ ჰიდროლიზში; ნაკლებად კრისტალური სუბსტრატები ბევრად უფრო სწრაფად იშლება. მაგალითად, ულტრაბგერითი აქტივაციის პირობებში 8% კრისტალურობის მქონე PET-ის ფხვნილი მნიშვნელოვნად უფრო სწრაფად ჰიდროლიზდებოდა, ვიდრე 28% კრისტალურობის მქონე PET.
მოქმედებს თუ არა PET-ის სუბსტრატის ფიზიკური ფორმა (ფხვნილი თუ ფირი) ულტრაბგერის ეფექტურობაზე?
დიახ, სუბსტრატის ფიზიკური ფორმა მნიშვნელოვნად მოქმედებს შედეგებზე. ულტრაბგერითი აქტივაცია დაახლოებით სამჯერ უფრო ეფექტურია PET-ის ფხვნილებზე, ვიდრე ფირებზე. ეს განსხვავება ძირითადად განპირობებულია იმით, რომ უწყვეტ ფირებთან შედარებით ფხვნილოვან სუბსტრატებს ფერმენტული ზემოქმედებისთვის ხელმისაწვდომი ზედაპირის უფრო დიდი ფართობი აქვთ.
რომელი ფერმენტი გამოიყენება ჩვეულებრივ ულტრაბგერით ხელშეწყობილი PET-ის დაშლისას?
ფერმენტი Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1) ჩვეულებრივ გამოიყენება ულტრაბგერით აქტივირებული PET-ის ჰიდროლიზის პროცესებში. ეს ბიოკატალიზატორი აჩვენებს გაუმჯობესებულ აქტივობას, როდესაც რეაქცია იწყება ულტრაბგერითი ენერგიის მოკლე იმპულსით.
ხელს უწყობს თუ არა ულტრაბგერითი დამუშავება PET დეპოლიმერიზაციის სხვა გზებს?
დიახ, მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერა ხელს უწყობს ტუტე, მჟავე ან ნეიტრალურ ჰიდროლიზს; გლიკოლიზს ეთილენგლიკოლის გამოყენებით; მეთანოლიზს; კატალიზურ სოლვოლიზს; ასევე PET-ის ფერმენტულ ჰიდროლიზს.
გაიგეთ, თუ როგორ აძლიერებს ულტრაბგერითი დამუშავება PET-ის ტუტე ჰიდროლიზს!
რა არის აკუსტიკური კავიტაცია?
დაბალი სიხშირის, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი დამუშავება (დაახლოებით 20 – 50kHz) იწვევს აკუსტიკურ / ულტრაბგერით კავიტაციას, რომელიც წარმოქმნის ფიზიკურ, მექანიკურ და ქიმიურ ეფექტებს. აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტები ვლინდება უმცირესი ვაკუუმური ბუშტუკების წარმოქმნის, ზრდისა და შემდგომი ძლიერი კოლაფსის სახით; ეს ბუშტუკები სითხეში შეყვანილი ულტრაბგერითი ტალღებით გამოწვეული წნევის რყევების შედეგად ჩნდება. კავიტაციის ბუშტუკების იმპლოზიის დროს წარმოიქმნება ე.წ. ცხელი წერტილები, რომლებიც მცირე სივრცეშია ლოკალიზებული და ხანმოკლეა. ეს ადგილობრივად წარმოქმნილი ცხელი წერტილები ხასიათდება სულ მცირე 5000 K ტემპერატურამდე ინტენსიური გათბობით, 1200 bar-მდე წნევით და მილიწამებში წარმოქმნილი ტემპერატურისა და წნევის დიდი სხვაობებით. სითხის წვეთები და ნაწილაკები აჩქარდება და წარმოქმნის სითხის ჭავლებს, რომელთა სიჩქარე 208m/s-მდე აღწევს.
ფერმენტების ულტრაბგერითი დამუშავება ეფუძნება აკუსტიკურ კავიტაციას და მის ჰიდროდინამიკურ ძვრის ძალებს
ლიტერატურა / რეფერენციები
- 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.