Ферментативная переработка пластика под ультразвуковым контролем
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.
Ультразвуковое исследование для ферментативной переработки пластика
Высокоинтенсивная низкочастотная ультразвукизация хорошо известна своим влиянием на ферментативные реакции. Ультразвуковая обработка может использоваться как для активации, так и для инактивации ферментов. Контролируемая ультразвук при низких и средних амплитудах активирует ферменты и способствует массообмену между ферментами и субстратом, что приводит к повышению каталитической активности ферментов.
Ультразвуковая обработка изменяет характеристики ферментов, тем самым способствуя активности ферментов. Ультразвуковая предварительная обработка субстрата ускоряет ферментативные реакции.
Ультразвуковое перемешивание способствовало массопереносу между ферментами и пластиковой подложкой, так что фермент может проникать и разрушать расплав высококристаллического ПЭТ. Являясь энергоэффективной и простой в эксплуатации технологией, ультразвуковая обработка помогает перерабатывать ПЭТ экономически эффективным и экологически чистым способом.
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)
- усиливает активность ферментов
- ускоряет ферментативные реакции
- приводит к более полным реакциям
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.
- Повышенный массоперенос
- Увеличена константа скорости
- Повышенная каталитическая эффективность
- Точно контролируется в соответствии с зоной наилучшего восприятия ферментов
- Тестирование без риска
- Линейно масштабируемая
- Рентабельный
- Безопасность и простота в эксплуатации
- Низкие эксплуатационные расходы
- Быстрая окупаемость инвестиций
- экологичность

Бак с ультразвуковыми аппаратами мощностью 8 кВт (4x УИП2000HDT) и мешалкой
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:
Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
---|---|---|
от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!

Мощные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому пилот и промышленный шкала.
Литература / Литература
- V. Tournier, C. M. Topham, A. Gilles, B. David, C. Folgoas, E. Moya-Leclair, E. Kamionka, M.-L. Desrousseaux, H. Texier, S. Gavalda, M. Cot, E. Guémard, M. Dalibey, J. Nomme, G. Cioci, S. Barbe, M. Chateau, I. André, S. Duquesne, A. Marty (2020): An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580(7802): 216-219.
- Efstratios Nikolaivits, Maria Kanelli, Maria Dimarogona, Evangelos Topakas (2018): A Middle-Aged Enzyme Still in Its Prime: Recent Advances in the Field of Cutinases. Catalysts 2018, 8, 612.
- Pellis, A.; Gamerith, C.; Ghazaryan, G.; Ortner, A.; Herrero Acero, E.; Guebitz, G.M. (2016): Ultrasound-enhanced enzymatic hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Bioresour. Technol. 218, 2016. 1298–1302.
- Meliza Lindsay Rojas; Júlia Hellmeister Trevilin; Pedro Esteves Duarte Augusto (2016): The ultrasound technology for modifying enzyme activity. Scientia Agropecuaria 7 /2, 2016. 145–150.
- Shamraja S. Nadar; Virendra K. Rathod (2017): Ultrasound assisted intensification of enzyme activity and its properties: a mini-review. World J Microbiol Biotechnol 2017, 33:170.
Факты, которые стоит знать
Акустические кавитационные силы
Низкочастотное, высокоинтенсивное ультразвуковое исследование (прибл. 20 – 50 кГц) вызывает акустическую/ультразвуковую кавитацию, которая приводит к физическим, механическим и химическим эффектам. Эффекты акустической кавитации можно наблюдать в виде образования, роста и последующего сильного схлопывания мельчайших вакуумных пузырьков, которые происходят из-за колебаний давления ультразвуковых волн, связанных в жидкость. Во время схлопывания кавитационных пузырей возникают так называемые горячие точки, которые ограничены небольшим пространством и короткой продолжительностью. Эти локально возникающие горячие точки характеризуются интенсивным нагревом не менее 5000 К, давлением до 1200 бар и высокими перепадами температур и давления, возникающими в течение миллисекунд. Капли и частицы жидкости ускоряются в струи жидкости со скоростью до 208 м/с.