Ультразвуковое усиление ферментативной переработки пластмасс

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) является огромным источником отходов, поступающих в основном от использованных бутылок из-под воды и напитков. До недавнего времени переработка ПЭТ приводила к низкому качеству пластика. Новый мутантный фермент обещает деградацию ПЭТ в первозданное сырье, которое может быть использовано для производства новых высококачественных пластиков. Ферменты, продвигаемые ультразвуком, демонстрируют более высокую эффективность, ускоряя ферментативную переработку пластмасс и увеличивая технологические мощности.

Как мощный ультразвук усиливает ферментативную переработку ПЭТ

• Значительно увеличивает доступную площадь поверхности ПЭТ-подложек, благодаря чему порошкообразные формы демонстрируют гораздо более высокую реакционную способность в условиях биокатализа, чем твердые пленки.
• Смягчает тормозящее воздействие кристалличности полимера, что позволяет ПЭТ с низкой кристалличностью гидролизоваться с ускоренной скоростью.
• Выполняет функцию триггера целенаправленной активации, при этом кратковременная начальная ультразвуковая обработка резко усиливает высвобождение мономеров, таких как терефталевая кислота (ТА) и МХЭТ.
• Улучшает массообмен и межфазный контакт между ферментом и полимером без необходимости проведения агрессивных термических или химических предварительных обработок.
• Снижает общие энергозатраты за счет того, что ультразвуковая энергия используется только в течение короткой фазы активации, а не в условиях непрерывной реакции.

Преодоление физических барьеров с помощью акустической кавитации

Поли(этилентерефталат) (ПЭТ) демонстрирует значительную устойчивость к биологической переработке из-за своей высокой молекулярной массы, гидрофобности и полукристаллической структуры, что естественным образом ограничивает проникновение ферментов и каталитический контакт. Ультразвуковое облучение эффективно устраняет эти физические ограничения за счет генерации акустической кавитации, которая вызывает локальное микросмешивание, механические сдвиговые силы и контролируемые тепловые флуктуации на границе раздела «полимер-растворитель». Эта акустическая энергия вызывает набухание полимерной матрицы, разрушает жесткие кристаллические домены и резко увеличивает доступную площадь поверхности для прикрепления биокатализатора. Благодаря физической подготовке субстрата до начала или на ранних этапах гидролиза ультразвуковое воздействие нейтрализует негативное влияние кристалличности и создает более благоприятную микросреду для ферментативного воздействия, закладывая высокоэффективную основу для устойчивой деполимеризации.

Синергетическая активация биокатализаторов кутиназы

Сочетание мощного ультразвука с ферментами кутиназы, в частности с кутиназой 1 Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), демонстрирует мощный синергетический эффект, который позволяет максимально увеличить каталитическую активность при одновременном сохранении целостности фермента. Вместо поддержания непрерывного ультразвукового облучения применение короткой 10-минутной фазы активации в начале гидролиза подготавливает систему, что приводит к замечательному увеличению выделения продуктов разложения, таких как TA и MHET, в 5,2–6,6 раз. Этот короткий импульс акустической энергии, вероятно, улучшает подвижность фермента, усиливает смачивание на границе раздела фаз и временно модифицирует поверхность полимера, способствуя каталитическому связыванию без денатурации белка. Благодаря отделению высокоэнергетического воздействия от общей динамики реакции синергия ультразвука и кутиназы обеспечивает существенное повышение эффективности деполимеризации при сохранении стабильности биокатализатора и снижении общего энергопотребления процесса.

Морфология подложки и масштабируемость технологического процесса

На успех ферментативной переработки ПЭТ с использованием ультразвука значительное влияние оказывают геометрия и физическая форма субстрата, причем порошкообразные субстраты стабильно демонстрируют более высокую эффективность по сравнению с непрерывными пленками. Исследования показывают, что ультразвуковая активация примерно в три раза эффективнее в отношении порошков ПЭТ по сравнению с пленками, в первую очередь потому, что гранулярная морфология обеспечивает значительно большую и более доступную площадь поверхности для ферментативного гидролиза. В то время как порошки с низкой кристалличностью (например, 8 %) демонстрируют быстрое и интенсивное разложение, даже структурированные субстраты, такие как пленки ПЭТ с 7 % кристалличности, показывают ощутимые преимущества, например, 1,2-кратное увеличение выделения ТА в течение длительных 72-часовых периодов реакции. Эти морфологические зависимости подчеркивают необходимость адаптации ультразвуковых параметров к характеристикам субстрата, доказывая, что стратегическая ультразвуковая обработка может эффективно соединить ферментативную переработку в лабораторных масштабах с масштабируемой и промышленно жизнеспособной утилизацией пластиковых отходов.

Высокопроизводительные ультразвуковые процессоры для ферментативных реакций

Компания Hielscher Ultrasonics имеет многолетний опыт в разработке, производстве и распространении высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов для силовых применений в лабораториях и промышленности. Наши знания и опыт в области сложной ультразвуковой обработки являются частью предложения, которое мы предоставляем нашим клиентам.
Мы сопровождаем наших клиентов от первой консультации, технико-экономического обоснования и оптимизации процесса до окончательной установки и эксплуатации вашей ультразвуковой системы.
Наши точно управляемые ультразвуковые приборы позволяют влиять на активность ферментов, кинетику, термодинамические свойства, а также на температуру обработки.
Наш ассортимент мощных и надежных ультразвуковых процессоров охватывает весь спектр от компактных портативных лабораторных устройств до настольных и полностью промышленных процессоров. От 200 Вт и выше, все ультразвуковые устройства оснащены цифровым сенсорным дисплеем, интеллектуальным программным обеспечением, удаленным управлением через браузер и автоматическим протоколированием данных на встроенной SD-карте. Индивидуально настраиваемый режим цикла ультразвуковой обработки (импульсный режим) позволяет настраивать и контролировать воздействие фермента (время и периоды покоя) на ультразвуковую обработку. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях эксплуатации и в сложных условиях.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:

О компании Enzymatic Plastic Recycling

Фермент гидролиз компостной кутиназы из листьев и ветвей (LLC) встречается в природе и разрывает связи между двумя строительными блоками полиэтилентерефталата (ПЭТ), терефталатом и этиленгликолем. Тем не менее, общая эффективность фермента и его чувствительность к теплу являются ограничивающими факторами реакции, которые значительно снижают эффективность процесса. Фермент кутиназы компоста из листьев и ветвей начинает разлагаться при 65 °C, в то время как для процессов разложения ПЭТ требуется температура 72 °C или выше, при которой ПЭТ начинает плавиться. Расплавленный ПЭТ является важным технологическим фактором, поскольку расплав обеспечивает большую площадь поверхности, на которую фермент может воздействовать.
Исследователи заново спроектировали встречающийся в природе фермент кутиназы компоста из листьев и ветвей и изменили аминокислоты в местах его связывания. В результате был получен мутантный фермент, который демонстрирует повышенную в 10 000 раз активность в разрыве ПЭТ-связей (по сравнению с нативным ферментом LLC) и значительно улучшенную термостабильность. Это означает, что новый мутантный фермент не разрушается при температуре 72°C, при которой ПЭТ начинает плавиться.
Ультразвуковое диспергирование и поверхностная активация способствуют ферментативной каталитической реакции. Конкретные параметры ультразвуковой обработки, такие как амплитуда ультразвука, время, температура и давление, могут быть точно настроены на тип фермента для повышения его каталитической активности. Параметры ультразвуковой обработки и их влияние на ферменты зависят от конкретного типа фермента, его аминокислотного состава и конформационной структуры. Таким образом, каждый тип фермента имеет оптимальные условия процесса, при которых достигается оптимальная активация фермента.

Ультразвуковое диспергирование фермента и субстрата

Ультразвуковые сдвиговые и микротурбулентности хорошо известны своей высокой эффективностью, когда речь идет о диспергирующих приложениях. Индуцированное ультразвуковым излучением диспергирование ферментных агрегатов, а также агломератов субстрата улучшает ферментативную каталитическую активность, так как расщепление молекулярных агрегатов и агломератов увеличивает площадь активной поверхности между ферментами и субстратом для реакции.

Фермент кутиназы под ультразвуковым действием

Ультразвуковая обработка показала хорошие результаты в активации фермента утиназы Thc_Cut1 в отношении его гидролизной активности ПЭТ. Усиленная ультразвуком ферментативная деградация ПЭТФ привела к увеличению выделяемых продуктов распада в 6,6 раза по сравнению с необработанным ПЭТ. Увеличение кристаллического процента (28%) в порошке и пленках ПЭТ приводило к снижению выхода гидролиза, что может быть связано с уменьшением доступности поверхности. (ср. Nikolaivits et al. 2018)