Ultrazvukom intenzifikovaná enzymatická recyklácia plastov

Polyetyléntereftalát (PET) je obrovským zdrojom odpadu pochádzajúceho prevažne z použitých fliaš na vodu a nápoje. Až donedávna sa recykláciou PET získavali plasty nízkej kvality. Nový mutantný enzým sľubuje rozklad PET na čistú východiskovú surovinu, ktorú možno použiť na výrobu nových vysokokvalitných plastov. Enzýmy podporené ultrazvukom vykazujú vyššiu účinnosť, čím urýchľujú enzymatickú recykláciu plastov a zvyšujú kapacitu procesov.

Ako výkonový ultrazvuk intenzifikuje enzymatickú recykláciu PET

• Výrazne zväčšuje prístupnú plochu povrchu substrátov PET, vďaka čomu práškové formy reagujú na biokatalýzu podstatne lepšie než pevné fólie.
• Zmierňuje inhibičné účinky kryštalinity polyméru, čím umožňuje rýchlejšiu hydrolýzu PET s nízkou kryštalinitou.
• Pôsobí ako cielený aktivačný spúšťač, pričom krátka úvodná sonikácia výrazne zvyšuje uvoľňovanie monomérov, ako sú kyselina tereftalová (TA) a MHET.
• Zlepšuje prenos hmoty a kontakt na rozhraní medzi enzýmom a polymérom bez potreby drsnej tepelnej alebo chemickej predúpravy.
• Znižuje celkové energetické nároky tým, že využitie ultrazvukovej energie obmedzuje na krátku aktivačnú fázu namiesto jej nepretržitého využívania počas reakcie.

Prekonávanie fyzikálnych bariér pomocou akustickej kavitácie

Poly(etyléntereftalát) (PET) vykazuje značnú odolnosť voči biologickej recyklácii v dôsledku svojej vysokej molekulovej hmotnosti, hydrofóbnosti a semikryštalickej štruktúry, ktoré prirodzene obmedzujú prenikanie enzýmov a katalytický kontakt. Pôsobenie ultrazvuku účinne prekonáva tieto fyzikálne obmedzenia vytváraním akustickej kavitácie, ktorá vyvoláva lokálne mikromiešanie, mechanické šmykové sily a riadené teplotné výkyvy na rozhraní polyméru a rozpúšťadla. Táto akustická energia spôsobuje napučiavanie polymérnej matrice, narúša tuhé kryštalické domény a výrazne zväčšuje plochu povrchu dostupnú na naviazanie biokatalyzátora. Fyzikálnou úpravou substrátu pred hydrolýzou alebo počas jej počiatočnej fázy sonikácia neutralizuje negatívny vplyv kryštalinity a vytvára priaznivejšie mikroprostredie pre pôsobenie enzýmov, čím poskytuje vysoko účinný základ pre udržateľnú depolymerizáciu.

Synergická aktivácia kutinázových biokatalyzátorov

Kombinácia výkonového ultrazvuku s kutinázovými enzýmami, najmä s kutinázou 1 z Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), vykazuje silný synergický účinok, ktorý maximalizuje katalytický obrat pri zachovaní integrity enzýmu. Namiesto nepretržitého pôsobenia ultrazvuku sa na začiatku hydrolýzy použije krátka 10-minútová aktivačná fáza, ktorá pripraví systém na reakciu a vedie k pozoruhodnému 5,2- až 6,6-násobnému zvýšeniu uvoľňovania produktov rozkladu, ako sú TA a MHET. Tento krátky impulz akustickej energie pravdepodobne zlepšuje pohyblivosť enzýmov, podporuje zmáčanie na rozhraní a dočasne upravuje povrch polyméru tak, aby podporoval katalytické viazanie bez denaturácie proteínu. Obmedzením prívodu vysokej energie na časť celkového trvania reakcie prináša synergia sonikácie a kutinázy podstatné zvýšenie účinnosti depolymerizácie pri zachovaní stability biokatalyzátora a znížení celkovej spotreby energie procesu.

Morfológia substrátu a škálovateľnosť procesu

Úspešnosť ultrazvukom podporovanej enzymatickej recyklácie PET výrazne ovplyvňujú geometria a fyzikálna forma substrátu, pričom práškové substráty sústavne dosahujú lepšie výsledky než súvislé fólie. Štúdie naznačujú, že aktivácia ultrazvukom je pri práškoch PET približne trikrát účinnejšia než pri fóliách, predovšetkým preto, že zrnitá morfológia poskytuje podstatne väčšiu a prístupnejšiu plochu povrchu na enzymatickú hydrolýzu. Zatiaľ čo prášky s nízkou kryštalinitou (napr. 8%) vykazujú rýchly a intenzívny rozklad, aj štruktúrované substráty, ako sú fólie PET so 7% kryštalinitou, vykazujú merateľné prínosy, napríklad 1,2-násobné zvýšenie uvoľňovania TA počas predĺžených 72-hodinových reakčných období. Tieto závislosti od morfológie zdôrazňujú potrebu prispôsobiť parametre ultrazvuku vlastnostiam substrátu a dokazujú, že strategicky uplatnená sonikácia môže účinne prepojiť enzymatickú recykláciu v laboratórnom meradle so škálovateľným, priemyselne realizovateľným zhodnocovaním plastového odpadu.

Vysokovýkonné ultrazvukové procesory na enzymatické reakcie

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s navrhovaním, výrobou a distribúciou vysokovýkonných ultrazvukových zariadení na výkonové aplikácie v laboratóriách a priemysle. Naše znalosti a skúsenosti v oblasti sofistikovaného ultrazvukového spracovania sú súčasťou ponuky, ktorú poskytujeme našim zákazníkom.
Našich zákazníkov sprevádzame od úvodnej konzultácie cez skúšky uskutočniteľnosti a optimalizáciu procesu až po konečnú inštaláciu a prevádzku ich ultrazvukového systému.
Naše presne regulovateľné ultrazvukové zariadenia umožňujú ovplyvňovať aktivitu enzýmov, kinetiku, termodynamické vlastnosti aj teplotu spracovania.
Naše portfólio výkonných a spoľahlivých ultrazvukových procesorov pokrýva celý rozsah od kompaktného ručného laboratórneho zariadenia až po stolové a plne priemyselné procesory. Od 200 wattov vyššie sú všetky ultrazvukové zariadenia vybavené digitálnym dotykovým displejom, inteligentným softvérom, diaľkovým ovládaním cez prehliadač a automatickým zaznamenávaním údajov na integrovanú SD kartu. Individuálne nastaviteľný režim sonikačných cyklov (pulzný režim) umožňuje nastaviť a regulovať vystavenie enzýmov ultrazvukovému pôsobeniu (čas pôsobenia a prestávky). Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje nepretržitú prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení:

O enzymatickej recyklácii plastov

Hydrolytický enzým kutináza z kompostu lístia a konárov (LLC) sa vyskytuje v prírode a štiepi väzby medzi dvoma stavebnými zložkami polyetyléntereftalátu (PET), tereftalátom a etylénglykolom. Celková účinnosť enzýmu a jeho citlivosť na teplo sú však faktory obmedzujúce reakciu, ktoré výrazne znižujú účinnosť procesu. Enzým kutináza z kompostu lístia a konárov sa začína rozkladať pri 65°C, zatiaľ čo procesy degradácie PET vyžadujú teploty 72°C alebo vyššie, teda teplotu, pri ktorej sa PET začína taviť. Roztavený PET je dôležitým faktorom procesu, pretože tavenina poskytuje väčšiu plochu povrchu, na ktorej môže enzým pôsobiť.
Výskumníci upravili prirodzene sa vyskytujúci enzým kutinázu z kompostu lístia a konárov a zmenili aminokyseliny v jeho väzbových miestach. Výsledkom bol mutantný enzým, ktorý vykazuje 10 000-násobne vyššiu aktivitu pri štiepení väzieb PET (v porovnaní s pôvodným enzýmom LLC) a výrazne lepšiu tepelnú stabilitu. To znamená, že nový mutantný enzým sa nerozkladá pri 72°C, teda pri teplote, pri ktorej sa PET začína taviť.
Ultrazvuková dispergácia a aktivácia povrchu podporujú enzymaticky riadenú katalytickú reakciu. Konkrétne parametre sonikácie, ako sú amplitúda ultrazvuku, čas, teplota a tlak, možno presne prispôsobiť typu enzýmu s cieľom zvýšiť jeho katalytickú aktivitu. Parametre ultrazvukového spracovania a ich účinky na enzýmy závisia od konkrétneho typu enzýmu, jeho aminokyselinového zloženia a konformačnej štruktúry. Každý typ enzýmu má preto optimálne procesné podmienky, pri ktorých sa dosahuje optimálna aktivácia enzýmu.

Ultrazvuková dispergácia enzýmu a substrátu

Šmykové pôsobenie a mikroturbulencie vytvárané ultrazvukom sú dobre známe svojou vysokou účinnosťou pri dispergácii. Ultrazvukom vyvolaná dispergácia agregátov enzýmov aj aglomerátov substrátu zlepšuje enzymatickú katalytickú aktivitu, pretože rozrušenie molekulových agregátov a aglomerátov zväčšuje aktívnu plochu povrchu medzi enzýmami a substrátom dostupnú pre reakciu.

Enzým kutináza podporovaný ultrazvukom

Sonikácia preukázala dobré výsledky pri aktivácii enzýmu kutinázy Thc_Cut1 z hľadiska jeho aktivity pri hydrolýze PET. Enzymatická degradácia PET podporovaná ultrazvukom viedla k 6,6-násobnému zvýšeniu množstva uvoľnených produktov degradácie v porovnaní s neošetreným PET. Zvýšenie podielu kryštalickej fázy (28%) v prášku a fóliách PET viedlo k nižším výťažkom hydrolýzy, čo by mohlo súvisieť so zníženou dostupnosťou povrchu. (porov. Nikolaivits et al. 2018)