Reciclagem enzimática de plástico intensificada por ultrassons

O poli(tereftalato de etileno) (PET) é uma enorme fonte de resíduos proveniente principalmente de garrafas de água e de bebidas usadas. Até há pouco tempo, a reciclagem do PET resultava em plásticos de baixa qualidade. Uma nova enzima mutante promete a degradação do PET em matéria-prima pura, que pode ser utilizada para novos plásticos de alta qualidade. As enzimas promovidas por ultra-sons mostram uma maior eficiência, acelerando a reciclagem enzimática de plásticos e aumentando as capacidades do processo.

Como o ultrassom de alta potência intensifica a reciclagem enzimática do PET

• Aumenta drasticamente a área de superfície acessível dos substratos de PET, tornando as formas em pó significativamente mais sensíveis à biocatálise do que as películas sólidas.
• Atenua os efeitos inibidores da cristalinidade do polímero, permitindo que o PET de baixa cristalinidade se hidrolise a taxas aceleradas.
• Funciona como um gatilho de ativação direcionado, em que uma breve sonicação inicial aumenta drasticamente a libertação de monómeros como o ácido tereftálico (TA) e o MHET.
• Melhora a transferência de massa e o contacto interfacial entre a enzima e o polímero, sem necessidade de pré-tratamentos térmicos ou químicos agressivos.
• Reduz as necessidades energéticas globais, ao limitar a energia ultrassónica a uma fase de ativação curta, em vez de condições de reação contínuas.

Superar barreiras físicas através da cavitação acústica

O poli(tereftalato de etileno) (PET) apresenta uma resistência significativa à reciclagem biológica devido ao seu elevado peso molecular, hidrofobicidade e estrutura semicristalina, que restringem naturalmente a penetração enzimática e o contacto catalítico. A irradiação ultrassónica elimina eficazmente estas limitações físicas através da geração de cavitação acústica, que produz micromistura localizada, forças de cisalhamento mecânicas e flutuações térmicas controladas na interface polímero-solvente. Esta energia acústica faz inchar a matriz polimérica, rompe os domínios cristalinos rígidos e aumenta drasticamente a área de superfície disponível para a ligação do biocatalisador. Ao condicionar fisicamente o substrato antes ou durante a fase inicial da hidrólise, a sonicação neutraliza o impacto negativo da cristalinidade e cria um microambiente mais favorável ao ataque enzimático, estabelecendo uma base altamente eficiente para uma despolimerização sustentável.

Ativação sinérgica de biocatalisadores de cutinase

A integração do ultrassom de alta potência com enzimas cutinases, em particular a cutinase 1 da Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), demonstra uma poderosa relação sinérgica que maximiza a atividade catalítica, preservando simultaneamente a integridade da enzima. Em vez de manter uma irradiação ultrassónica contínua, a aplicação de uma breve fase de ativação de 10 minutos no início da hidrólise prepara o sistema, resultando num notável aumento de 5,2 a 6,6 vezes na libertação de produtos de degradação, tais como TA e MHET. Esta breve descarga de energia acústica provavelmente melhora a mobilidade da enzima, aumenta a humedecimento interfacial e modifica temporariamente a superfície do polímero para favorecer a ligação catalítica sem desnaturar a proteína. Ao dissociar a entrada de alta energia de todo o período de reação, a sinergia entre a sonicação e a cutinase proporciona ganhos substanciais na eficiência da despolimerização, mantendo simultaneamente a estabilidade do biocatalisador e reduzindo o consumo energético global do processo.

Morfologia do substrato e escalabilidade do processo

O sucesso da reciclagem enzimática do PET assistida por ultrassons é fortemente influenciado pela geometria e pela forma física do substrato, sendo que os substratos em pó apresentam consistentemente um desempenho superior ao dos filmes contínuos. Estudos indicam que a ativação por ultrassons é aproximadamente três vezes mais eficaz em pós de PET do que em filmes, principalmente porque a morfologia granular proporciona uma área de superfície muito maior e mais acessível para a hidrólise enzimática. Embora os pós de baixa cristalinidade (por exemplo, 8 %) apresentem uma degradação rápida e robusta, mesmo substratos estruturados como as películas de PET com 7 % de cristalinidade demonstram benefícios mensuráveis, tais como uma melhoria de 1,2 vezes na libertação de TA ao longo de períodos de reação prolongados de 72 horas. Estas dependências morfológicas destacam a necessidade de adaptar os parâmetros ultrassónicos às características do substrato, comprovando que a sonicação estratégica pode efetivamente fazer a ponte entre a reciclagem enzimática à escala laboratorial e a valorização de resíduos plásticos escalável e viável a nível industrial.

Processadores ultra-sónicos de alto desempenho para reacções enzimáticas

A Hielscher Ultrasonics tem uma longa experiência na conceção, fabrico e distribuição de ultrassons de alto desempenho para aplicações de energia no laboratório e na indústria. O nosso conhecimento e experiência no processamento sofisticado de ultra-sons faz parte da oferta que oferecemos aos nossos clientes.
Orientamos os nossos clientes desde a primeira consulta, passando pelos testes de viabilidade e otimização de processos, até à instalação final e funcionamento do seu sistema de ultra-sons.
Os nossos dispositivos ultra-sónicos controláveis com precisão permitem influenciar a atividade enzimática, a cinética, as propriedades termodinâmicas, bem como a temperatura de processamento.
A nossa carteira de processadores ultra-sónicos potentes e fiáveis abrange toda a gama, desde o dispositivo portátil compacto de laboratório até aos processadores de bancada e totalmente industriais. A partir de 200 watts, todos os dispositivos ultra-sónicos estão equipados com um ecrã tátil digital, software inteligente, controlo remoto por browser e protocolo automático de dados num cartão SD integrado. O modo de ciclo de sonicação individualmente ajustável (modo puls) permite definir e controlar a exposição da enzima (tempo e períodos de repouso) ao tratamento ultrassónico. A robustez do equipamento de ultra-sons da Hielscher permite o funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, em serviço pesado e em ambientes exigentes.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Sobre a Reciclagem Enzimática de Plásticos

A enzima de hidrólise leaf-branch compost cutinase (LLC) existe na natureza e corta as ligações entre os dois blocos de construção do politereftalato de etileno (PET), o tereftalato e o etilenoglicol. No entanto, a eficácia global da enzima e a sua sensibilidade ao calor são factores limitantes da reação, que reduzem significativamente a eficiência do processo. A enzima cutinase do composto de ramos de folhas começa a degradar-se a 65°C, enquanto os processos de degradação do PET requerem temperaturas de 72°C ou superiores, a temperatura a que o PET começa a fundir-se. O PET fundido é um fator importante do processo, uma vez que a fusão oferece uma área de superfície mais elevada onde a enzima pode trabalhar.
Os investigadores efectuaram uma nova engenharia da enzima cutinase do composto de ramos de folhas que ocorre naturalmente e alteraram os aminoácidos nos seus locais de ligação. O resultado foi uma enzima mutante que apresenta uma atividade 10.000 vezes superior na quebra de ligações PET (em comparação com a enzima LLC nativa) e uma estabilidade térmica significativamente melhorada. Isto significa que a nova enzima mutante não se decompõe a 72°C, a temperatura a que o PET começa a derreter.
A dispersão ultra-sónica e a ativação da superfície promovem a reação catalítica enzimática. Os parâmetros específicos de sonicação, como a amplitude, o tempo, a temperatura e a pressão ultra-sónicos, podem ser ajustados exatamente ao tipo de enzima para aumentar a sua atividade catalítica. Os parâmetros de processamento ultrassónico e os seus efeitos sobre as enzimas dependem do tipo específico de enzima, da sua composição de aminoácidos e da estrutura conformacional. Deste modo, cada tipo de enzima tem condições de processamento óptimas, nas quais se consegue uma ativação óptima da enzima.

Dispersão ultra-sónica da enzima e do substrato

O cisalhamento e as micro-turbulências gerados por ultra-sons são bem conhecidos pela sua elevada eficiência quando se trata de aplicações de dispersão. A dispersão induzida por ultra-sons de agregados de enzimas, bem como de aglomerados de substrato, melhora a atividade catalítica enzimática, uma vez que a quebra de agregados moleculares e aglomerados aumenta a área de superfície ativa entre enzimas e substrato para a reação.

Enzima cutinase promovida por ultra-sons

A sonicação demonstrou bons resultados na ativação da enzima utinase Thc_Cut1 no que diz respeito à sua atividade de hidrólise do PET. A degradação enzimática ultrassónica do PET resultou num aumento de 6,6 vezes dos produtos de degradação libertados em comparação com o PET não tratado. Um aumento da percentagem de cristais (28%) no pó e nas películas de PET resultou em rendimentos de hidrólise mais baixos, o que pode estar relacionado com a menor disponibilidade de superfície. (cf. Nikolaivits et al. 2018)