Enzymatyczny recykling tworzyw sztucznych intensyfikowany ultradźwiękami

Politereftalan etylenu (PET) jest ogromnym źródłem odpadów, pochodzących głównie ze zużytych butelek po wodzie i napojach. Do niedawna recykling PET prowadził do powstawania tworzyw sztucznych niskiej jakości. Nowy zmutowany enzym daje perspektywę rozkładu PET do surowca o jakości materiału pierwotnego, który można wykorzystać do produkcji nowych tworzyw sztucznych wysokiej jakości. Enzymy wspomagane ultradźwiękami wykazują większą wydajność, przyspieszając enzymatyczny recykling tworzyw sztucznych i zwiększając zdolności przetwórcze procesu.

Jak ultradźwięki dużej mocy intensyfikują enzymatyczny recykling PET

• Drastycznie zwiększają dostępną powierzchnię substratów PET, sprawiając, że postacie sproszkowane są znacznie bardziej podatne na biokatalizę niż lite folie.
• Łagodzą hamujący wpływ krystaliczności polimeru, umożliwiając szybszą hydrolizę PET o niskiej krystaliczności.
• Działają jako ukierunkowany bodziec aktywacyjny, przy czym krótka początkowa sonikacja radykalnie zwiększa uwalnianie monomerów, takich jak kwas tereftalowy (TA) i MHET.
• Zwiększają transport masy i kontakt międzyfazowy między enzymem a polimerem bez konieczności stosowania intensywnej obróbki wstępnej metodami termicznymi lub chemicznymi.
• Zmniejszają całkowite zapotrzebowanie na energię poprzez ograniczenie doprowadzania energii ultradźwiękowej do krótkiej fazy aktywacji zamiast jej ciągłego dostarczania podczas reakcji.

Pokonywanie barier fizycznych dzięki kawitacji akustycznej

Poli(tereftalan etylenu) (PET) wykazuje znaczną odporność na recykling biologiczny ze względu na dużą masę cząsteczkową, hydrofobowość i strukturę częściowo krystaliczną, które w naturalny sposób ograniczają penetrację enzymów i kontakt katalityczny. Oddziaływanie ultradźwięków skutecznie usuwa te ograniczenia fizyczne poprzez wytwarzanie kawitacji akustycznej, która powoduje miejscowe mikromieszanie, mechaniczne siły ścinające oraz kontrolowane fluktuacje temperatury na granicy faz polimer–rozpuszczalnik. Ta energia akustyczna powoduje pęcznienie matrycy polimerowej, rozbija sztywne domeny krystaliczne i radykalnie zwiększa powierzchnię dostępną do przyłączania biokatalizatora. Poprzez fizyczne kondycjonowanie substratu przed hydrolizą lub na jej wczesnym etapie sonikacja neutralizuje negatywny wpływ krystaliczności i tworzy korzystniejsze mikrośrodowisko dla działania enzymów, zapewniając wysoce wydajną podstawę zrównoważonej depolimeryzacji.

Synergistyczna aktywacja biokatalizatorów kutynazowych

Połączenie ultradźwięków dużej mocy z enzymami kutynazowymi, zwłaszcza z kutynazą 1 Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), wykazuje silne działanie synergistyczne, które maksymalizuje obrót katalityczny przy zachowaniu integralności enzymu. Zamiast ciągłego oddziaływania ultradźwięków zastosowanie krótkiej, 10-minutowej fazy aktywacji na początku hydrolizy przygotowuje układ do reakcji, prowadząc do niezwykłego, od 5,2- do 6,6-krotnego wzrostu uwalniania produktów rozkładu, takich jak TA i MHET. Ten krótki impuls energii akustycznej prawdopodobnie poprawia ruchliwość enzymu, zwiększa zwilżanie na granicy faz i tymczasowo modyfikuje powierzchnię polimeru, sprzyjając wiązaniu katalitycznemu bez denaturacji białka. Dzięki oddzieleniu etapu dostarczania dużej ilości energii od całego czasu trwania reakcji synergia sonikacji i kutynazy zapewnia znaczny wzrost wydajności depolimeryzacji przy zachowaniu stabilności biokatalizatora i zmniejszeniu całkowitego zużycia energii w procesie.

Morfologia substratu i skalowalność procesu

Na skuteczność enzymatycznego recyklingu PET wspomaganego ultradźwiękami silnie wpływają geometria i postać fizyczna substratu, przy czym substraty sproszkowane konsekwentnie zapewniają lepsze wyniki niż ciągłe folie. Badania wskazują, że aktywacja ultradźwiękami jest około trzykrotnie skuteczniejsza w przypadku proszków PET niż folii, przede wszystkim dlatego, że morfologia ziarnista zapewnia znacznie większą i łatwiej dostępną powierzchnię dla hydrolizy enzymatycznej. Chociaż proszki o niskiej krystaliczności (np. 8%) wykazują szybki i intensywny rozkład, nawet substraty o uporządkowanej strukturze, takie jak folie PET o krystaliczności 7%, wykazują wymierne korzyści, na przykład 1,2-krotne zwiększenie uwalniania TA podczas wydłużonych, 72-godzinnych okresów reakcji. Te zależności morfologiczne podkreślają konieczność dostosowania parametrów ultradźwięków do właściwości substratu, dowodząc, że strategiczne zastosowanie sonikacji może skutecznie połączyć enzymatyczny recykling w skali laboratoryjnej ze skalowalną waloryzacją odpadów z tworzyw sztucznych, opłacalną w warunkach przemysłowych.

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe do reakcji enzymatycznych

Hielscher Ultrasonics ma wieloletnie doświadczenie w projektowaniu, produkcji i dystrybucji wysokowydajnych sonikatorów do zastosowań wymagających dużej mocy w laboratoriach i przemyśle. Nasza wiedza i doświadczenie w zaawansowanej obróbce ultradźwiękowej stanowią część oferty, którą zapewniamy naszym klientom.
Wspieramy naszych klientów od pierwszej konsultacji, poprzez testy wykonalności i optymalizację procesu, aż po końcową instalację i eksploatację systemu ultradźwiękowego.
Nasze urządzenia ultradźwiękowe umożliwiające precyzyjne sterowanie pozwalają wpływać na aktywność enzymów, kinetykę, właściwości termodynamiczne oraz temperaturę procesu.
Nasza oferta wydajnych i niezawodnych procesorów ultradźwiękowych obejmuje pełny zakres urządzeń: od kompaktowego, ręcznego urządzenia laboratoryjnego po procesory stołowe i w pełni przemysłowe. Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe o mocy od 200 watów są wyposażone w cyfrowy wyświetlacz dotykowy, inteligentne oprogramowanie, zdalne sterowanie przez przeglądarkę oraz automatyczną rejestrację danych na zintegrowanej karcie SD. Indywidualnie regulowany tryb cyklicznej sonikacji (tryb impulsowy) umożliwia ustawianie i kontrolowanie ekspozycji enzymu na działanie ultradźwięków (czasu działania i okresów przerw). Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

O enzymatycznym recyklingu tworzyw sztucznych

Enzym hydrolityczny, kutynaza z kompostu liści i gałęzi (LLC), występuje w przyrodzie i rozcina wiązania między dwoma składnikami budulcowymi politereftalanu etylenu (PET): tereftalanem i glikolem etylenowym. Jednak ogólna skuteczność enzymu i jego wrażliwość na ciepło są czynnikami ograniczającymi reakcję, które znacznie zmniejszają wydajność procesu. Kutynaza z kompostu liści i gałęzi zaczyna ulegać rozkładowi w temperaturze 65°C, podczas gdy procesy rozkładu PET wymagają temperatury 72°C lub wyższej, czyli temperatury, w której PET zaczyna się topić. Stopiony PET jest ważnym czynnikiem procesu, ponieważ stop zapewnia większą powierzchnię, na której enzym może działać.
Naukowcy zmodyfikowali naturalnie występującą kutynazę z kompostu liści i gałęzi, zmieniając aminokwasy w jej miejscach wiązania. W rezultacie uzyskano zmutowany enzym, który wykazuje aktywność rozrywania wiązań PET zwiększoną 10 000 razy (w porównaniu z natywnym enzymem LLC) oraz znacznie większą stabilność termiczną. Oznacza to, że nowy zmutowany enzym nie ulega rozkładowi w temperaturze 72°C, w której PET zaczyna się topić.
Dyspergowanie ultradźwiękowe i aktywacja powierzchni wspomagają reakcję katalityczną prowadzoną przez enzymy. Konkretne parametry sonikacji, takie jak amplituda ultradźwięków, czas, temperatura i ciśnienie, można precyzyjnie dostosować do typu enzymu, aby zwiększyć jego aktywność katalityczną. Parametry obróbki ultradźwiękowej i ich wpływ na enzymy zależą od konkretnego typu enzymu, jego składu aminokwasowego i struktury konformacyjnej. Każdy typ enzymu ma zatem optymalne warunki procesu, w których osiąga się optymalną aktywację enzymu.

Ultradźwiękowe dyspergowanie enzymu i substratu

Ścinanie i mikroturbulencje generowane ultradźwiękami są dobrze znane ze swojej wysokiej skuteczności w zastosowaniach związanych z dyspergowaniem. Wywołane ultradźwiękami dyspergowanie zarówno agregatów enzymów, jak i aglomeratów substratu poprawia aktywność katalityczną enzymów, ponieważ rozbijanie agregatów i aglomeratów molekularnych zwiększa aktywną powierzchnię kontaktu między enzymami a substratem dostępną dla reakcji.

Enzym kutynaza wspomagany ultradźwiękami

Sonikacja przyniosła dobre wyniki w aktywacji enzymu utinase Thc_Cut1 pod względem jego aktywności w hydrolizie PET. Enzymatyczny rozkład PET wspomagany ultradźwiękami prowadził do 6,6-krotnego zwiększenia ilości uwalnianych produktów rozkładu w porównaniu z PET niepoddanym obróbce. Zwiększenie udziału fazy krystalicznej (28%) w proszku i foliach PET prowadziło do niższej wydajności hydrolizy, co mogło być związane z mniejszą dostępnością powierzchni. (por. Nikolaivits et al. 2018)