Ultrazvukom podporovaná enzymatická recyklácia plastov

Polyetyléntereftalát (PET) je obrovským zdrojom odpadu pochádzajúceho najmä z použitých fliaš na vodu a nápoje. Až donedávna recyklácia PET viedla k nekvalitným plastom. Nový mutantný enzým sľubuje degradáciu PET na nedotknutú surovinu, ktorú možno použiť na nové vysokokvalitné plasty. Ultrazvukom podporované enzýmy vykazujú vyššiu účinnosť, urýchľujú enzymatickú recykláciu plastov a zvyšujú kapacity procesov.

Ako vysokovýkonný ultrazvuk zintenzívňuje enzymatickú recykláciu PET

• Výrazne zvyšuje dostupnú povrchovú plochu PET substrátov, vďaka čomu sú práškové formy voči biokatalýze podstatne citlivejšie než pevné filmy.
• Zmierňuje inhibičné účinky kryštalinity polyméru, čím umožňuje, aby PET s nízkou kryštalinitou prebiehal hydrolyzáciou zrýchleným tempom.
• Funguje ako spúšťač cieleného aktivovania, pričom krátka počiatočná sonikácia výrazne urýchľuje uvoľňovanie monomérov, ako sú kyselina tereftalová (TA) a MHET.
• Zlepšuje prenos hmoty a kontakt na rozhraní medzi enzýmom a polymérom bez nutnosti použitia agresívnych tepelných alebo chemických predúprav.
• Znižuje celkovú spotrebu energie tým, že obmedzuje ultrazvukovú energiu na krátku aktivačnú fázu namiesto nepretržitých reakčných podmienok.

Prekonávanie fyzikálnych bariér pomocou akustickej kavitácie

Poly(etyléntereftalát) (PET) vykazuje značnú odolnosť voči biologickému recyklovaniu v dôsledku svojej vysokej molekulovej hmotnosti, hydrofóbnosti a polokryštalickej štruktúry, ktoré prirodzene obmedzujú prenikanie enzýmov a katalytický kontakt. Ultrazvukové ožiarenie účinne odstraňuje tieto fyzikálne obmedzenia vytváraním akustickej kavitácie, ktorá spôsobuje lokálne mikromiešanie, mechanické šmykové sily a kontrolované teplotné kolísania na rozhraní polymér-rozpúšťadlo. Táto akustická energia spôsobuje napučanie polymérnej matice, narúša tuhé kryštalické domény a výrazne zvyšuje dostupnú povrchovú plochu pre pripojenie biokatalyzátora. Fyzikálnou úpravou substrátu pred alebo počas počiatočnej fázy hydrolýzy sonikácia neutralizuje negatívny vplyv kryštalinity a vytvára priaznivejšie mikroprostredie pre enzymatický útok, čím vytvára vysoko účinný základ pre udržateľnú depolymerizáciu.

Synergická aktivácia biokatalyzátorov kutinázy

Kombinácia výkonného ultrazvuku s enzýmami typu kutinázy, najmä s Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1), preukazuje silný synergický vzťah, ktorý maximalizuje katalytickú aktivitu pri zachovaní integrity enzýmu. Namiesto udržovania nepretržitého ultrazvukového ožiarenia pripraví systém na činnosť krátka 10-minútová aktivačná fáza na začiatku hydrolýzy, čo vedie k pozoruhodnému 5,2- až 6,6-násobnému zvýšeniu uvoľňovania produktov degradácie, ako sú TA a MHET. Tento krátky výboj akustickej energie pravdepodobne zlepšuje mobilitu enzýmu, zvyšuje zmáčavosť medzifázového rozhrania a dočasne modifikuje povrch polyméru tak, aby podporoval katalytickú väzbu bez denaturácie proteínu. Oddelením vysokovýkonného vstupu od celého časového priebehu reakcie prináša synergia medzi sonikáciou a kutinázou podstatné zvýšenie účinnosti depolymerizácie pri zachovaní stability biokatalyzátora a znížení celkovej spotreby energie v procese.

Morfológia substrátu a škálovateľnosť procesu

Úspešnosť enzymatického recyklovania PET s využitím ultrazvuku je výrazne ovplyvnená geometriou a fyzickou formou substrátu, pričom práškové substráty dosahujú trvalo lepšie výsledky ako súvislé fólie. Štúdie naznačujú, že aktivácia ultrazvukom je u práškov PET približne trikrát účinnejšia v porovnaní s fóliami, a to predovšetkým preto, že zrnité zloženie poskytuje oveľa väčšiu a prístupnejšiu povrchovú plochu pre enzymatickú hydrolýzu. Zatiaľ čo prášky s nízkou kryštalickosťou (napr. 8 %) vykazujú rýchlu a výraznú degradáciu, aj štruktúrované substráty, ako sú 7 % kryštalické PET fólie, preukazujú merateľné výhody, ako je 1,2-násobné zlepšenie uvoľňovania TA počas predĺžených 72-hodinových reakčných období. Tieto morfologické závislosti zdôrazňujú nutnosť prispôsobenia ultrazvukových parametrov charakteristikám substrátu, čo dokazuje, že strategická sonikácia môže efektívne prepojiť enzymatickú recykláciu v laboratórnom meradle so škálovateľnou, priemyselne realizovateľnou zhodnocovaním plastového odpadu.

Vysokovýkonné ultrazvukové procesory pre enzymatické reakcie

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s navrhovaním, výrobou a distribúciou vysokovýkonných ultrazvukových prístrojov pre energetické aplikácie v laboratóriu a priemysle. Naše znalosti a skúsenosti so sofistikovaným ultrazvukovým spracovaním sú súčasťou ponuky, ktorú poskytujeme našim zákazníkom.
Našich zákazníkov sprevádzame od prvej konzultácie cez testovanie uskutočniteľnosti a optimalizáciu procesov až po finálnu inštaláciu a prevádzku vášho ultrazvukového systému.
Naše presne ovládateľné ultrazvukové prístroje umožňujú ovplyvňovať aktivitu enzýmov, kinetiku, termodynamické vlastnosti, ako aj teplotu spracovania.
Naše portfólio výkonných a spoľahlivých ultrazvukových procesorov pokrýva celý rad od kompaktných ručných laboratórnych zariadení až po stolové a plne priemyselné procesory. Od 200 wattov vyššie sú všetky ultrazvukové zariadenia vybavené digitálnym dotykovým displejom, inteligentným softvérom, diaľkovým ovládaním prehliadača a automatickým protokolovaním údajov na integrovanej SD karte. Individuálne nastaviteľný režim sonikačného cyklu (pulzný režim) umožňuje nastaviť a kontrolovať enzýmovú expozíciu (čas a doba odpočinku) ultrazvukovému ošetreniu. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:

O enzymatickej recyklácii plastov

Hydrolýzny enzým kompost z listových konárov (LLC) sa vyskytuje v prírode a prerušuje väzby medzi dvoma stavebnými kameňmi polyetyléntereftalátu (PET), tereftalátu a etylénglykolu. Celková účinnosť enzýmu a jeho citlivosť na teplo sú však faktory obmedzujúce reakciu, ktoré výrazne znižujú účinnosť procesu. Enzým kompostu z listových konárov sa začína rozkladať pri 65 °C, zatiaľ čo procesy degradácie PET vyžadujú teploty 72 °C alebo vyššie, čo je teplota, pri ktorej sa PET začína topiť. Roztavený PET je dôležitým procesným faktorom, pretože tavenina ponúka väčšiu plochu, na ktorej môže enzým pôsobiť.
Výskumníci prepracovali prirodzene sa vyskytujúci enzým kompostu z listových konárov a zmenili aminokyseliny na jeho väzbových miestach. Výsledkom bol mutantný enzým, ktorý vykazuje zvýšenú aktivitu 10 000-krát pri rozbíjaní PET väzieb (v porovnaní s natívnym enzýmom LLC) a výrazne zlepšenú tepelnú stabilitu. To znamená, že nový mutantný enzým sa nerozkladá pri teplote 72 °C, pri ktorej sa PET začína topiť.
Ultrazvuková dispergácia a povrchová aktivácia podporuje enzymaticky riadenú katalytickú reakciu. Špecifické parametre sonikácie, ako je ultrazvuková amplitúda, čas, teplota a tlak, môžu byť presne vyladené na typ enzýmu, aby sa zvýšila jeho katalytická aktivita. Parametre ultrazvukového spracovania a ich účinky na enzýmy závisia od konkrétneho typu enzýmu, jeho zloženia aminokyselín a konformačnej štruktúry. Každý typ enzýmu má tak optimálne procesné podmienky, za ktorých sa dosahuje optimálna aktivácia enzýmu.

Ultrazvuková disperzia enzýmu a substrátu

Ultrazvukom generované šmykové a mikroturbulencie sú dobre známe svojou vysokou účinnosťou, pokiaľ ide o dispergované aplikácie. Ultrazvukom indukovaná disperzia enzýmových agregátov, ako aj substrátových aglomerátov zlepšuje enzymatickú katalytickú aktivitu, pretože rozklad molekulárnych agregátov a aglomerátov zvyšuje aktívnu plochu povrchu medzi enzýmami a substrátom na reakciu.

Ultrazvukom podporovaný enzým Cutinase

Sonikácia preukázala dobré výsledky pri aktivácii enzýmu utinázy Thc_Cut1 vzhľadom na jeho hydrolýznu aktivitu PET. Ultrazvukom zosilnená enzymatická degradácia PET viedla k 6,6-násobnému zvýšeniu uvoľnených produktov degradácie v porovnaní s neošetreným PET. Zvýšenie kryštalického percenta (28 %) v PET prášku a filmoch viedlo k nižším výťažkom hydrolýzy, čo by mohlo súvisieť so zníženou dostupnosťou povrchu. (porovnaj Nikolaivits et al. 2018)