Recykling tworzyw sztucznych z wykorzystaniem procesów enzymatycznych wspomaganych ultradźwiękami

Politereftalan etylenu (PET) jest ogromnym źródłem odpadów pochodzących głównie ze zużytych butelek na wodę i napoje. Do niedawna recykling PET skutkował niską jakością tworzyw sztucznych. Nowy zmutowany enzym obiecuje degradację PET do nieskazitelnego surowca, który może być wykorzystany do produkcji nowych, wysokiej jakości tworzyw sztucznych. Promowane ultradźwiękami enzymy wykazują wyższą wydajność, przyspieszając enzymatyczny recykling tworzyw sztucznych i zwiększając wydajność procesu.

W jaki sposób ultradźwięki o dużej mocy wzmacniają enzymatyczny proces recyklingu PET

• Znacznie zwiększa dostępną powierzchnię podłoży PET, dzięki czemu formy proszkowe wykazują znacznie większą reaktywność w procesie biokatalizy niż warstwy stałe.
• Łagodzi hamujące działanie krystaliczności polimeru, umożliwiając przyspieszoną hydrolizę PET o niskiej krystaliczności.
• Działa jako wywoływacz ukierunkowanej aktywacji, przy czym krótka początkowa sonikacja radykalnie przyspiesza uwalnianie monomerów, takich jak kwas tereftalowy (TA) i MHET.
• Poprawia transfer masy oraz kontakt międzyfazowy między enzymem a polimerem bez konieczności stosowania agresywnych obróbek wstępnych termicznych lub chemicznych.
• Zmniejsza ogólne zapotrzebowanie na energię poprzez ograniczenie energii ultradźwiękowej do krótkiej fazy aktywacji zamiast stosowania warunków ciągłej reakcji.

Pokonywanie barier fizycznych za pomocą kawitacji akustycznej

Poli(tereftalan etylenu) (PET) wykazuje znaczną odporność na recykling biologiczny ze względu na swoją wysoką masę cząsteczkową, hydrofobowość oraz strukturę półkrystaliczną, które w naturalny sposób ograniczają penetrację enzymów i kontakt katalityczny. Napromieniowanie ultradźwiękowe skutecznie eliminuje te ograniczenia fizyczne poprzez generowanie kawitacji akustycznej, która powoduje miejscowe mikromieszanie, mechaniczne siły ścinające oraz kontrolowane fluktuacje termiczne na granicy faz polimer-rozpuszczalnik. Energia akustyczna powoduje pęcznienie matrycy polimerowej, rozbija sztywne domeny krystaliczne i radykalnie zwiększa dostępną powierzchnię do przyłączenia biokatalizatora. Poprzez fizyczne przygotowanie podłoża przed lub na wczesnym etapie hydrolizy sonikacja neutralizuje negatywny wpływ krystaliczności i tworzy bardziej sprzyjające mikrośrodowisko dla działania enzymów, zapewniając wysoce wydajną podstawę dla zrównoważonej depolimeryzacji.

Synergistyczna aktywacja biokatalizatorów kutynazowych

Połączenie ultradźwięków o dużej mocy z enzymami kutynazowymi, a zwłaszcza z kutynazą 1 Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), wykazuje silną synergię, która maksymalizuje wydajność katalityczną przy jednoczesnym zachowaniu integralności enzymu. Zamiast utrzymywać ciągkie napromieniowanie ultradźwiękowe, zastosowanie krótkiej, 10-minutowej fazy aktywacyjnej na początku hydrolizy przygotowuje układ, co skutkuje niezwykłym, 5,2- do 6,6-krotnym wzrostem uwalniania produktów degradacji, takich jak TA i MHET. Ten krótki impuls energii akustycznej prawdopodobnie poprawia mobilność enzymu, zwiększa zwilżanie na granicy faz oraz tymczasowo modyfikuje powierzchnię polimeru, sprzyjając wiązaniu katalitycznemu bez denaturacji białka. Dzięki oddzieleniu wysokiego wkładu energetycznego od całego przebiegu reakcji synergia sonikacji i kutynazy zapewnia znaczny wzrost wydajności depolimeryzacji przy jednoczesnym zachowaniu stabilności biokatalizatora i zmniejszeniu ogólnego zużycia energii w procesie.

Morfologia podłoża i skalowalność procesu

Na skuteczność recyklingu PET metodą enzymatyczną wspomaganą ultradźwiękami duży wpływ ma geometria i postać fizyczna substratu, przy czym substraty w postaci proszku konsekwentnie osiągają lepsze wyniki niż folie ciągłe. Badania wskazują, że aktywacja ultradźwiękowa jest około trzykrotnie skuteczniejsza w przypadku proszków PET w porównaniu z foliami, przede wszystkim dlatego, że ziarnista morfologia zapewnia znacznie większą i bardziej dostępną powierzchnię do hydrolizy enzymatycznej. Podczas gdy proszki o niskiej krystaliczności (np. 8%) wykazują szybki i intensywny rozkład, nawet substraty o uporządkowanej strukturze, takie jak folie PET o 7% krystaliczności, wykazują wymierne korzyści, takie jak 1,2-krotna poprawa uwalniania TA w przedłużonych 72-godzinnych okresach reakcji. Te zależności morfologiczne podkreślają konieczność dostosowania parametrów ultradźwiękowych do właściwości substratu, dowodząc, że strategiczne stosowanie ultradźwięków może skutecznie połączyć recykling enzymatyczny na skalę laboratoryjną ze skalowalną, opłacalną przemysłowo waloryzacją odpadów z tworzyw sztucznych.

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe do reakcji enzymatycznych

Hielscher Ultrasonics posiada wieloletnie doświadczenie w projektowaniu, produkcji i dystrybucji wysokowydajnych ultrasonografów do zastosowań energetycznych w laboratorium i przemyśle. Nasza wiedza i doświadczenie w zaawansowanej obróbce ultradźwiękowej jest częścią oferty, którą zapewniamy naszym klientom.
Prowadzimy naszych klientów od pierwszych konsultacji dotyczących testów wykonalności i optymalizacji procesu do ostatecznej instalacji i obsługi systemu ultradźwiękowego.
Nasze precyzyjnie sterowane urządzenia ultradźwiękowe pozwalają wpływać na aktywność enzymów, kinetykę, właściwości termodynamiczne, a także temperaturę przetwarzania.
Nasza oferta wydajnych i niezawodnych procesorów ultradźwiękowych obejmuje pełen zakres od kompaktowych ręcznych urządzeń laboratoryjnych po procesory stołowe i w pełni przemysłowe. Od 200 W w górę, wszystkie urządzenia ultradźwiękowe są wyposażone w cyfrowy wyświetlacz dotykowy, inteligentne oprogramowanie, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i automatyczne protokołowanie danych na zintegrowanej karcie SD. Indywidualnie regulowany tryb cyklu sonikacji (tryb pulsacyjny) pozwala ustawić i kontrolować ekspozycję enzymu (czas i okresy odpoczynku) na obróbkę ultradźwiękową. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:

Informacje o enzymatycznym recyklingu tworzyw sztucznych

Enzym hydrolizujący kutynazę z kompostu liściastego (LLC) występuje w naturze i przecina wiązania między dwoma blokami 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. Enzym kutynazy kompostu liściastego zaczyna rozkładać się w temperaturze 65°C, podczas gdy procesy degradacji PET wymagają temperatury 72°C lub wyższej, czyli temperatury, w której PET zaczyna się topić. Stopiony PET jest ważnym czynnikiem procesowym, ponieważ stopiony PET oferuje większą powierzchnię, na której enzym może działać.
Naukowcy przeprojektowali naturalnie występujący enzym kutynazy kompostu z liści i zmienili aminokwasy w jego miejscach wiązania. Zaowocowało to powstaniem zmutowanego enzymu, który wykazuje 10 000-krotnie zwiększoną aktywność w zrywaniu wiązań PET (w porównaniu do natywnego enzymu LLC) i znacznie lepszą stabilność termiczną. Oznacza to, że nowy zmutowany enzym nie ulega rozpadowi w temperaturze 72°C, w której PET zaczyna się topić.
Ultradźwiękowe rozpraszanie i aktywacja powierzchni sprzyja enzymatycznie napędzanej reakcji katalitycznej. Specyficzne parametry sonikacji, takie jak amplituda ultradźwięków, czas, temperatura i ciśnienie mogą być dokładnie dostrojone do typu enzymu w celu zwiększenia jego aktywności katalitycznej. Parametry obróbki ultradźwiękowej i ich wpływ na enzymy zależą od konkretnego typu enzymu, jego składu aminokwasowego i struktury konformacyjnej. W ten sposób każdy typ enzymu ma optymalne warunki procesu, w których osiąga się optymalną aktywację enzymu.

Ultradźwiękowa dyspersja enzymu i substratu

Ultradźwiękowo generowane ścinanie i mikroturbulencje są dobrze znane ze swojej wysokiej wydajności, jeśli chodzi o zastosowania dyspergujące. Ultradźwiękowo indukowana dyspersja agregatów enzymatycznych, jak również aglomeratów substratów, poprawia enzymatyczną aktywność katalityczną, ponieważ rozpad agregatów molekularnych i aglomeratów zwiększa aktywną powierzchnię między enzymami i substratem do reakcji.

Promowany ultradźwiękowo enzym kutynazy

Sonikacja wykazała dobre wyniki w aktywacji enzymu utinazy Thc_Cut1 w odniesieniu do jego aktywności hydrolizy PET. Ultradźwiękowo wzmocniona degradacja enzymatyczna PET spowodowała 6,6-krotny wzrost uwalnianych produktów degradacji w porównaniu z nietraktowanym PET. Wzrost procentowej zawartości krystalicznej (28%) w proszku PET i foliach spowodował niższą wydajność hydrolizy, co może być związane z obniżoną dostępnością powierzchni. (por. Nikolaivits et al. 2018)