Ar ultraskaņas palīdzību pastiprināta fermentatīvā plastmasas pārstrāde

Polietilēntereftalāts (PET) ir milzīgs atkritumu avots, kas galvenokārt nāk no lietotām ūdens un dzērienu pudelēm. Vēl nesen PET pārstrādes rezultātā tika iegūta zemas kvalitātes plastmasa. Jauns mutantu enzīms sola PET noārdīšanos senatnīgā izejvielā, ko var izmantot jaunām augstas kvalitātes plastmasām. Ultrasoniski veicināti fermenti parāda augstāku efektivitāti, paātrinot plastmasas fermentatīvo pārstrādi un palielinot procesa jaudu.

Kā ultraskaņas enerģija pastiprina fermentatīvo PET pārstrādi

• Ievērojami palielina PET substrātu pieejamo virsmas laukumu, padarot pulverveida formas bioloģiskajai katalīzei daudz atsaucīgākas nekā cietās plēves.
• Mazinā polimēra kristāliskuma inhibējošo ietekmi, ļaujot PET ar zemu kristāliskumu hidrolizēties paātrinātā tempā.
• Fungē kā mērķtiecīgs aktivācijas izraisītājs, kur īsa sākotnējā ultraskaņas apstrāde ievērojami paātrina tādu monomēru kā tereftālskābe (TA) un MHET atbrīvošanos.
• Uzlabo masas pārnesi un saskari starp fermentu un polimēru, neizmantojot agresīvu termisku vai ķīmisku priekšapstrādi.
• Samazina kopējo enerģijas patēriņu, ierobežojot ultraskaņas enerģijas izmantošanu tikai īsai aktivizācijas fāzei, nevis nepārtrauktiem reakcijas apstākļiem.

Fizisko šķēršļu pārvarēšana, izmantojot akustisko kavitāciju

Polietilēntereftalāts (PET) ir ļoti grūti bioloģiski pārstrādājams tā augstās molekulmasas, hidrofobitātes un puskristāliskās struktūras dēļ, kas dabiski ierobežo fermentu iekļūšanu un katalītisko kontaktu. Ultraskaņas apstarošana efektīvi novērš šos fiziskos ierobežojumus, radot akustisko kavitāciju, kas polimēra un šķīdinātāja saskares virsmā izraisa lokalizētu mikrosajaukšanos, mehāniskas šķēres spēkus un kontrolētas termiskas svārstības. Šī akustiskā enerģija uzpūš polimēra matricu, izjauc stingrās kristāliskās domēnas un ievērojami palielina pieejamo virsmas laukumu biokatalizatora piesaistīšanai. Fiziski apstrādājot substrātu pirms hidrolīzes vai tās sākuma posmā, ultraskaņas apstrāde neitralizē kristāliskuma negatīvo ietekmi un rada labvēlīgāku mikrovidē fermentu iedarbībai, tādējādi veidojot ļoti efektīvu pamatu ilgtspējīgai depolimerizācijai.

Kutināzes biokatalizatoru sinerģiskā aktivizēšana

Spēcīgā ultraskaņas integrācija ar kutināzes fermentiem, jo īpaši ar Thermobifida cellulosilytica kutināzi 1 (Thc_cut1), parāda spēcīgu sinerģisko mijiedarbību, kas maksimizē katalītisko apgrozību, vienlaikus saglabājot fermenta integritāti. Tā vietā, lai uzturētu nepārtrauktu ultraskaņas starojumu, īsas 10 minūšu aktivācijas fāzes piemērošana hidrolīzes sākumā sagatavo sistēmu, kā rezultātā ievērojami — 5,2–6,6 reizes — palielinās tādu noārdīšanās produktu kā TA un MHET atbrīvošanās. Šis īsais akustiskās enerģijas impulss, visticamāk, uzlabo fermenta mobilitāti, pastiprina saskares virsmas mitrināšanu un īslaicīgi modificē polimēra virsmu, veicinot katalītisko saistīšanos, nedenaturējot proteīnu. Atdalot augstas enerģijas pievadi no visas reakcijas norises laika, ultraskaņas un kutināzes sinerģija nodrošina ievērojamu depolimerizācijas efektivitātes pieaugumu, vienlaikus saglabājot biokatalizatora stabilitāti un samazinot kopējo procesa enerģijas patēriņu.

Substrāta morfoloģija un procesa mērogojamība

Ultraskaņas palīdzībā veikto enzīmisko PET pārstrādes panākumus lielā mērā ietekmē substrāta ģeometrija un fiziskā forma, turklāt pulverveida substrāti pastāvīgi uzrāda labākus rezultātus nekā nepārtrauktas plēves. Pētījumi liecina, ka ultraskaņas aktivizēšana ir aptuveni trīs reizes efektīvāka attiecībā uz PET pulveriem salīdzinājumā ar plēvēm, galvenokārt tāpēc, ka granulveida morfoloģija nodrošina ievērojami lielāku un pieejamāku virsmas laukumu enzīmiskajai hidrolīzei. Lai gan pulveri ar zemu kristāliskumu (piem., 8 %) uzrāda ātru un stabilu sadalīšanos, pat strukturēti substrāti, piemēram, 7 % kristāliskas PET plēves, parāda izmērāmus ieguvumus, piemēram, 1,2 reizes lielāku TA atbrīvošanos ilgstošā 72 stundu reakcijas periodā. Šīs morfoloģiskās atkarības uzsver nepieciešamību pielāgot ultraskaņas parametrus substrāta īpašībām, pierādot, ka stratēģiska ultraskaņas apstrāde var efektīvi savienot laboratorijas mēroga fermentatīvo pārstrādi ar mērogojamu, rūpnieciski dzīvotspējīgu plastmasas atkritumu vērtības palielināšanu.

Augstas veiktspējas ultraskaņas procesori fermentatīvām reakcijām

Hielscher Ultrasonics ir ilgstoša pieredze augstas veiktspējas ultrasonikatoru projektēšanā, ražošanā un izplatīšanā enerģijas lietojumiem laboratorijā un rūpniecībā. Mūsu zināšanas un pieredze sarežģītā ultraskaņas apstrādē ir daļa no piedāvājuma, ko mēs piedāvājam saviem klientiem.
Mēs vadām savus klientus no pirmās konsultācijas par priekšizpēti un procesa optimizāciju līdz jūsu ultraskaņas sistēmas galīgajai uzstādīšanai un darbībai.
Mūsu precīzi kontrolējamās ultraskaņas ierīces ļauj ietekmēt fermentu aktivitāti, kinētiku, termodinamiskās īpašības, kā arī apstrādes temperatūru.
Mūsu jaudīgo un uzticamo ultraskaņas procesoru portfelis aptver pilnu diapazonu no kompaktās rokas laboratorijas ierīces līdz galda un pilnībā rūpnieciskiem procesoriem. Sākot no 200 vatiem uz augšu, visas ultraskaņas ierīces ir aprīkotas ar digitālo skārienekrānu, inteliģentu programmatūru, attālo pārlūka vadību un automātisku datu protokolēšanu integrētā SD kartē. Individuāli regulējams ultraskaņas cikla režīms (impulsa režīms) ļauj iestatīt un kontrolēt fermentu iedarbību (laika un atpūtas periodus) ultraskaņas apstrādei. Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj 24/7 darboties lieljaudas režīmā un prasīgā vidē.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

Par fermentatīvo plastmasas pārstrādi

Hidrolīzes enzīma lapu zaru komposta cutinase (LLC) notiek dabā un sagriež saites starp diviem polietilēntereftalāta (PET), tereftalāta un etilēnglikola celtniecības blokiem. Tomēr fermenta vispārējā efektivitāte un tā karstumjutība ir reakcijas ierobežojoši faktori, kas ievērojami samazina procesa efektivitāti. Lapu zaru komposta kušināzes enzīms sāk noārdīties 65°C temperatūrā, savukārt PET noārdīšanās procesiem nepieciešama 72°C vai augstāka temperatūra, temperatūra, kurā PET sāk kust. Izkausētais PET ir svarīgs procesa faktors, jo kausējums nodrošina lielāku virsmas laukumu, uz kura enzīms var iedarboties.
Atkārtoti pētnieki ir pārveidojuši dabā sastopamo lapu zaru komposta cutinase fermentu un mainījuši aminoskābes tā saistīšanās vietās. Tā rezultātā radās mutants enzīms, kas uzrāda paaugstinātu aktivitāti par 10 000 reizēm PET saišu pārrāvumā (salīdzinot ar vietējo LLC fermentu) un ievērojami uzlabotu siltuma stabilitāti. Tas nozīmē, ka jaunais mutantais enzīms nesadalās 72°C temperatūrā, kurā PET sāk kust.
Ultraskaņas izkliedēšana un virsmas aktivācija veicina fermentatīvi vadītu katalītisko reakciju. Specifiskus ultraskaņas apstrādes parametrus, piemēram, ultraskaņas amplitūdu, laiku, temperatūru un spiedienu, var precīzi pielāgot fermentu tipam, lai palielinātu tā katalītisko aktivitāti. Ultraskaņas apstrādes parametri un to ietekme uz fermentiem ir atkarīga no konkrētā fermenta veida, tā aminoskābju sastāva un konformācijas struktūras. Tādējādi katram fermentu veidam ir optimāli procesa apstākļi, kuros tiek panākta optimāla fermentu aktivācija.

Fermentu un substrāta ultraskaņas dispersija

Ultrasoniski radītās bīdes un mikro turbulences ir labi pazīstamas ar savu augsto efektivitāti, kad runa ir par izkliedēšanas lietojumiem. Ultrasoniski inducētā fermentu agregātu, kā arī substrātu aglomerātu dispersija uzlabo fermentatīvo katalītisko aktivitāti, jo molekulāro agregātu un aglomerātu sadalīšanās palielina aktīvās virsmas laukumu starp fermentiem un reakcijas substrātu.

Ultrasoniski veicināts cutinase enzīms

Ultraskaņas apstrāde ir parādījusi labus rezultātus enzīma utināzes Thc_Cut1 aktivācijā attiecībā uz tā PET hidrolīzes aktivitāti. Ultrasoniski uzlabotā PET fermentatīvā degradācija izraisīja atbrīvoto noārdīšanās produktu 6,6 reizes lielāku pieaugumu salīdzinājumā ar neapstrādāto PET. Kristāliskā procentuālā daudzuma palielināšanās (28%) PET pulverī un plēvēs izraisīja zemāku hidrolīzes iznākumu, kas varētu būt saistīts ar pazeminātu virsmas aklimatizāciju. (sk. Nikolaivits et al. 2018)