Ar ultraskaņu intensificēta plastmasas fermentatīvā pārstrāde

Polietilēntereftalāts (PET) ir milzīgs atkritumu avots, ko galvenokārt veido izlietotas ūdens un dzērienu pudeles. Vēl nesen PET pārstrādes rezultātā tika iegūta zemas kvalitātes plastmasa. Jauns mutants enzīms sola iespēju noārdīt PET līdz nevainojamas kvalitātes izejvielai, ko var izmantot jaunas, augstas kvalitātes plastmasas ražošanai. Enzīmi, kuru darbību veicina ultraskaņa, uzrāda augstāku efektivitāti, paātrinot plastmasas fermentatīvo pārstrādi un palielinot procesa ražīgumu.

Kā augstas intensitātes ultraskaņa intensificē PET fermentatīvo pārstrādi

• Krasi palielina PET substrātu pieejamo virsmas laukumu, padarot pulverveida formas ievērojami uzņēmīgākas pret biokatalīzi nekā cietas plēves.
• Mazina polimēra kristāliskuma inhibējošo ietekmi, ļaujot PET ar zemu kristāliskuma pakāpi hidrolizēties ātrāk.
• Darbojas kā mērķtiecīgs aktivācijas ierosinātājs – īslaicīga sākotnējā apstrāde ar ultraskaņu krasi palielina tādu monomēru kā tereftalskābe (TA) un MHET izdalīšanos.
• Uzlabo masas pārnesi un kontaktu starp enzīmu un polimēru fāžu saskares virsmā, neprasot skarbu termisku vai ķīmisku priekšapstrādi.
• Samazina kopējo enerģijas patēriņu, ierobežojot ultraskaņas enerģijas pievadīšanu līdz īsam aktivācijas posmam, nevis pievadot to nepārtraukti reakcijas laikā.

Fizisko šķēršļu pārvarēšana ar akustisko kavitāciju

Polietilēntereftalāts (PET) ir ievērojami izturīgs pret bioloģisko pārstrādi tā lielās molekulmasas, hidrofobitātes un daļēji kristāliskās struktūras dēļ, kas dabiski ierobežo enzīmu iekļūšanu un katalītisko kontaktu. Ultraskaņas iedarbība efektīvi novērš šos fiziskos ierobežojumus, radot akustisko kavitāciju, kas izraisa lokālu mikrosajaukšanos, mehāniskus bīdes spēkus un kontrolētas temperatūras svārstības polimēra un šķīdinātāja saskares virsmā. Šī akustiskā enerģija izraisa polimēra matricas uzbriešanu, izjauc stingros kristāliskos domēnus un krasi palielina biokatalizatora piesaistīšanai pieejamo virsmas laukumu. Fiziski sagatavojot substrātu pirms hidrolīzes vai tās sākumposmā, apstrāde ar ultraskaņu neitralizē kristāliskuma negatīvo ietekmi un rada labvēlīgāku mikrovidi enzīmu iedarbībai, veidojot ļoti efektīvu pamatu ilgtspējīgai depolimerizācijai.

Kutināzes biokatalizatoru sinerģiska aktivācija

Augstas intensitātes ultraskaņas apvienošana ar kutināzes enzīmiem, jo īpaši Thermobifida cellulosilytica kutināzi 1 (Thc_cut1), demonstrē spēcīgu sinerģisku mijiedarbību, kas maksimāli palielina katalītisko apriti, vienlaikus saglabājot enzīma integritāti. Nepārtrauktas ultraskaņas iedarbības vietā īss, 10 minūšu aktivācijas posms hidrolīzes sākumā sagatavo sistēmu darbībai, nodrošinot ievērojamu tādu noārdīšanās produktu kā TA un MHET izdalīšanās pieaugumu 5,2 līdz 6,6 reizes. Šis īsais akustiskās enerģijas impulss, visticamāk, uzlabo enzīmu kustīgumu, veicina slapināšanu fāžu saskares virsmā un īslaicīgi maina polimēra virsmu, sekmējot katalītisko saistīšanos bez proteīna denaturācijas. Atdalot lielas enerģijas pievadīšanu no visa reakcijas norises laika, apstrādes ar ultraskaņu un kutināzes sinerģija būtiski uzlabo depolimerizācijas efektivitāti, vienlaikus saglabājot biokatalizatora stabilitāti un samazinot procesa kopējo enerģijas patēriņu.

Substrāta morfoloģija un procesa mērogojamība

Ar ultraskaņu veicinātas PET enzimātiskās pārstrādes panākumus būtiski ietekmē substrāta ģeometrija un fizikālā forma, un pulverveida substrāti pastāvīgi nodrošina labākus rezultātus nekā nepārtrauktas plēves. Pētījumi liecina, ka aktivācija ar ultraskaņu PET pulveriem ir aptuveni trīs reizes efektīvāka nekā plēvēm, galvenokārt tāpēc, ka granulveida morfoloģija nodrošina ievērojami lielāku un pieejamāku virsmas laukumu enzimātiskajai hidrolīzei. Lai gan pulveriem ar zemu kristāliskuma pakāpi (piemēram, 8%) ir raksturīga strauja un stabila noārdīšanās, pat strukturētiem substrātiem, piemēram, PET plēvēm ar 7% kristāliskuma pakāpi, ir novērojami izmērāmi ieguvumi, piemēram, 1,2 reizes lielāka TA izdalīšanās ilgstošos, 72 stundu reakcijas periodos. Šī atkarība no morfoloģijas uzsver nepieciešamību pielāgot ultraskaņas parametrus substrāta īpašībām, pierādot, ka stratēģiski izmantota apstrāde ar ultraskaņu var efektīvi sasaistīt laboratorijas mēroga enzimātisko pārstrādi ar mērogojamu, rūpnieciski dzīvotspējīgu plastmasas atkritumu pārvēršanu vērtīgos produktos.

Augstas veiktspējas ultraskaņas procesori enzimātiskām reakcijām

Hielscher Ultrasonics ir ilggadēja pieredze augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtu projektēšanā, ražošanā un izplatīšanā lieljaudas lietojumiem laboratorijās un rūpniecībā. Mūsu zināšanas un pieredze sarežģītos ultraskaņas apstrādes procesos ir daļa no piedāvājuma mūsu klientiem.
Mēs sniedzam klientiem atbalstu no pirmās konsultācijas, īstenojamības pārbaudēm un procesa optimizācijas līdz ultraskaņas sistēmas galīgajai uzstādīšanai un ekspluatācijai.
Mūsu precīzi vadāmās ultraskaņas iekārtas ļauj ietekmēt enzīmu aktivitāti, kinētiku, termodinamiskās īpašības, kā arī apstrādes temperatūru.
Mūsu jaudīgo un uzticamo ultraskaņas procesoru klāsts aptver visu diapazonu no kompaktas, rokā turamas laboratorijas iekārtas līdz galda un pilnībā rūpnieciskiem procesoriem. Visas ultraskaņas iekārtas ar jaudu no 200 vatiem ir aprīkotas ar digitālu skāriendispleju, viedu programmatūru, attālinātu vadību pārlūkprogrammā un automātisku datu reģistrēšanu integrētā SD kartē. Individuāli regulējamais ultraskaņas apstrādes ciklu režīms (impulsu režīms) ļauj iestatīt un kontrolēt enzīmu pakļaušanu ultraskaņas apstrādei (iedarbības laiku un pārtraukumus). Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība nodrošina darbību 24/7 pie lielas slodzes un prasīgos apstākļos.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:

Par plastmasas enzimātisko pārstrādi

Hidrolītiskais enzīms lapu un zaru komposta kutināze (LLC) ir sastopams dabā un šķeļ saites starp abām polietilēntereftalāta (PET) struktūrvienībām – tereftalātu un etilēnglikolu. Tomēr enzīma kopējā efektivitāte un tā jutība pret karstumu ir reakciju ierobežojoši faktori, kas būtiski samazina procesa efektivitāti. Lapu un zaru komposta kutināze sāk noārdīties 65°C temperatūrā, savukārt PET noārdīšanas procesiem nepieciešama 72°C vai augstāka temperatūra, kurā PET sāk kust. Izkausēts PET ir svarīgs procesa faktors, jo kausējums nodrošina lielāku virsmas laukumu, uz kura enzīms var iedarboties.
Pētnieki ir pārveidojuši dabā sastopamo lapu un zaru komposta kutināzi un mainījuši aminoskābes tās saistīšanās vietās. Tā tika iegūts mutants enzīms, kura aktivitāte PET saišu šķelšanā ir 10 000 reižu lielāka (salīdzinājumā ar dabisko LLC enzīmu) un kura termiskā stabilitāte ir ievērojami uzlabota. Tas nozīmē, ka jaunais mutants enzīms nenoārdās 72°C temperatūrā, kurā PET sāk kust.
Disperģēšana ar ultraskaņu un virsmas aktivēšana veicina enzīmu katalizētu reakciju. Konkrētus apstrādes ar ultraskaņu parametrus, piemēram, ultraskaņas amplitūdu, laiku, temperatūru un spiedienu, var precīzi pielāgot enzīma veidam, lai palielinātu tā katalītisko aktivitāti. Apstrādes ar ultraskaņu parametri un to ietekme uz enzīmiem ir atkarīgi no konkrētā enzīma veida, tā aminoskābju sastāva un konformācijas struktūras. Tādējādi katram enzīma veidam ir optimāli procesa apstākļi, kuros tiek panākta optimāla enzīma aktivēšana.

Enzīma un substrāta disperģēšana ar ultraskaņu

Ultraskaņas radītā bīde un mikroturbulence ir labi pazīstamas ar savu augsto efektivitāti disperģēšanā. Ultraskaņas izraisīta enzīmu agregātu un substrāta aglomerātu disperģēšana uzlabo enzīmu katalītisko aktivitāti, jo molekulāro agregātu un aglomerātu sašķelšana palielina reakcijai pieejamo aktīvās saskares virsmas laukumu starp enzīmiem un substrātu.

Ar ultraskaņu veicināta enzīma kutināzes darbība

Apstrāde ar ultraskaņu ir devusi labus rezultātus enzīma kutināzes Thc_Cut1 aktivēšanā attiecībā uz tā aktivitāti PET hidrolīzē. Ar ultraskaņu pastiprināta PET enzimātiskā noārdīšana palielināja izdalīto noārdīšanās produktu daudzumu 6,6 reizes salīdzinājumā ar neapstrādātu PET. Kristāliskās daļas īpatsvara palielināšanās (28%) PET pulverī un plēvēs samazināja hidrolīzes iznākumu, kas varētu būt saistīts ar mazāku virsmas pieejamību. (sal. Nikolaivits et al. 2018)