Ultrazvočno intenzivirano encimsko recikliranje plastike

Polietilen tereftalat (PET) je velik vir odpadkov, ki izvirajo predvsem iz uporabljenih plastenk za vodo in pijače. Do nedavnega je recikliranje PET dajalo plastiko nizke kakovosti. Nov mutirani encim obeta razgradnjo PET v čisto izhodno surovino, ki jo je mogoče uporabiti za novo visokokakovostno plastiko. Encimi, katerih delovanje spodbuja ultrazvok, izkazujejo večjo učinkovitost, pospešujejo encimsko recikliranje plastike in povečujejo procesne zmogljivosti.

Kako močnostni ultrazvok intenzivira encimsko recikliranje PET

• Drastično poveča dostopno površino substratov PET, zaradi česar so praškaste oblike bistveno bolj odzivne na biokatalizo kot trdne folije.
• Ublaži zaviralne učinke kristaliničnosti polimera in omogoča hitrejšo hidrolizo PET z nizko kristaliničnostjo.
• Deluje kot ciljno usmerjen sprožilec aktivacije, pri čemer kratka začetna sonikacija izrazito poveča sproščanje monomerov, kot sta tereftalna kislina (TA) in MHET.
• Izboljša prenos snovi in stik na medfazni površini med encimom in polimerom, ne da bi bila potrebna ostra toplotna ali kemična predobdelava.
• Zmanjša skupne energetske potrebe, saj omeji uporabo ultrazvočne energije na kratko aktivacijsko fazo, namesto da bi jo dovajali neprekinjeno med reakcijo.

Premagovanje fizikalnih ovir z akustično kavitacijo

Poli(etilen tereftalat) (PET) je zaradi velike molekulske mase, hidrofobnosti in delno kristalinične strukture izrazito odporen proti biološkemu recikliranju, saj te lastnosti naravno omejujejo prodiranje encimov in katalitični stik. Ultrazvočno obsevanje učinkovito odpravlja te fizikalne omejitve z ustvarjanjem akustične kavitacije, ki povzroča lokalizirano mikromešanje, mehanske strižne sile in nadzorovana temperaturna nihanja na medfazni površini med polimerom in topilom. Ta akustična energija povzroči nabrekanje polimerne matrice, poruši toge kristalinične domene in drastično poveča razpoložljivo površino za vezavo biokatalizatorja. S fizikalno pripravo substrata pred hidrolizo ali v njeni zgodnji fazi sonikacija nevtralizira negativni vpliv kristaliničnosti in ustvari ugodnejše mikrookolje za encimsko delovanje, s čimer vzpostavi zelo učinkovito osnovo za trajnostno depolimerizacijo.

Sinergijska aktivacija kutinaznih biokatalizatorjev

Združevanje močnostnega ultrazvoka s kutinaznimi encimi, zlasti s kutinazo 1 bakterije Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), izkazuje močno sinergijsko delovanje, ki maksimira katalitični obrat ob ohranjanju celovitosti encima. Namesto neprekinjenega ultrazvočnega obsevanja kratka 10-minutna aktivacijska faza na začetku hidrolize pripravi sistem, kar povzroči izjemno 5,2- do 6,6-kratno povečanje sproščanja produktov razgradnje, kot sta TA in MHET. Ta kratki sunek akustične energije verjetno izboljša gibljivost encima, izboljša omočenje na medfazni površini in začasno spremeni površino polimera tako, da spodbuja katalitično vezavo brez denaturacije beljakovine. Z ločitvijo dovajanja velike količine energije od celotnega trajanja reakcije sinergija sonikacije in kutinaze bistveno izboljša učinkovitost depolimerizacije, hkrati pa ohranja stabilnost biokatalizatorja in zmanjšuje skupno porabo energije v procesu.

Morfologija substrata in možnost povečanja obsega procesa

Na uspešnost ultrazvočno podprtega encimskega recikliranja PET močno vplivata geometrija in fizikalna oblika substrata, pri čemer praškasti substrati dosledno dajejo boljše rezultate kot neprekinjene folije. Študije kažejo, da je ultrazvočna aktivacija pri prahovih PET približno trikrat učinkovitejša kot pri folijah, predvsem zato, ker zrnata morfologija zagotavlja veliko večjo in dostopnejšo površino za encimsko hidrolizo. Medtem ko se prahovi z nizko kristaliničnostjo (npr. 8%) razgrajujejo hitro in zanesljivo, celo strukturirani substrati, kot so folije PET s 7% kristaliničnostjo, izkazujejo merljive koristi, na primer 1,2-kratno povečanje sproščanja TA med daljšimi, 72-urnimi reakcijami. Ta odvisnost od morfologije poudarja potrebo po prilagajanju ultrazvočnih parametrov značilnostim substrata in dokazuje, da lahko strateška sonikacija učinkovito poveže encimsko recikliranje v laboratorijskem merilu z valorizacijo plastičnih odpadkov, ki jo je mogoče prenesti v večje merilo in je industrijsko izvedljiva.

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji za encimske reakcije

Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne izkušnje s snovanjem, izdelavo in distribucijo visokozmogljivih ultrazvočnih naprav za uporabo močnostnega ultrazvoka v laboratorijih in industriji. Naše znanje in izkušnje na področju zahtevne ultrazvočne obdelave so del ponudbe, ki jo zagotavljamo svojim strankam.
Stranke spremljamo od prvega posvetovanja prek preizkušanja izvedljivosti in optimizacije procesa do končne namestitve in obratovanja njihovega ultrazvočnega sistema.
Naše natančno krmiljene ultrazvočne naprave omogočajo vplivanje na encimsko aktivnost, kinetiko, termodinamične lastnosti in temperaturo obdelave.
Naš nabor zmogljivih in zanesljivih ultrazvočnih procesorjev pokriva celoten razpon od kompaktne ročne laboratorijske naprave do namiznih in povsem industrijskih procesorjev. Vse ultrazvočne naprave z močjo od 200 vatov naprej so opremljene z digitalnim zaslonom na dotik, inteligentno programsko opremo, daljinskim upravljanjem prek brskalnika in samodejnim beleženjem podatkov na vgrajeno kartico SD. Individualno nastavljiv način ciklične sonikacije (pulzni način) omogoča nastavitev in nadzor izpostavljenosti encima ultrazvočni obdelavi (čas obdelave in obdobja mirovanja). Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča obratovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav:

O encimskem recikliranju plastike

Hidrolitični encim kutinaza iz komposta listja in vej (LLC) se pojavlja v naravi in cepi vezi med dvema gradnikoma polietilen tereftalata (PET), tereftalatom in etilen glikolom. Vendar sta splošna učinkovitost encima in njegova občutljivost za toploto dejavnika, ki omejujeta reakcijo in bistveno zmanjšujeta učinkovitost procesa. Encim kutinaza iz komposta listja in vej se začne razgrajevati pri 65°C, medtem ko procesi razgradnje PET zahtevajo temperature 72°C ali več, kar je temperatura, pri kateri se PET začne taliti. Staljeni PET je pomemben procesni dejavnik, saj talina zagotavlja večjo površino, na kateri lahko deluje encim.
Raziskovalci so preoblikovali naravno prisotni encim kutinazo iz komposta listja in vej ter spremenili aminokisline na njegovih vezavnih mestih. Tako je nastal mutirani encim, ki izkazuje 10.000-krat večjo aktivnost pri cepljenju vezi v PET (v primerjavi z naravnim encimom LLC) in bistveno izboljšano toplotno stabilnost. To pomeni, da se novi mutirani encim ne razgradi pri 72°C, temperaturi, pri kateri se PET začne taliti.
Ultrazvočno dispergiranje in aktivacija površine spodbujata encimsko vodeno katalitično reakcijo. Specifične parametre sonikacije, kot so ultrazvočna amplituda, čas, temperatura in tlak, je mogoče natančno prilagoditi vrsti encima, da se poveča njegova katalitična aktivnost. Parametri ultrazvočne obdelave in njihovi učinki na encime so odvisni od posamezne vrste encima, njegove aminokislinske sestave in konformacijske strukture. Vsaka vrsta encima ima zato optimalne procesne pogoje, pri katerih se doseže optimalna aktivacija encima.

Ultrazvočno dispergiranje encima in substrata

Ultrazvočno ustvarjeni strig in mikroturbulence so dobro znani po svoji visoki učinkovitosti pri dispergiranju. Ultrazvočno povzročeno dispergiranje encimskih agregatov in aglomeratov substrata izboljša encimsko katalitično aktivnost, saj razbijanje molekulskih agregatov in aglomeratov poveča aktivno površino med encimi in substratom, na kateri poteka reakcija.

Ultrazvočno spodbujeni encim kutinaza

Sonikacija je pokazala dobre rezultate pri aktivaciji encima utinase Thc_Cut1 glede njegove aktivnosti pri hidrolizi PET. Ultrazvočno izboljšana encimska razgradnja PET je povzročila 6,6-kratno povečanje količine sproščenih produktov razgradnje v primerjavi z neobdelanim PET. Povečanje deleža kristaliničnosti (28%) v prahu in folijah PET je povzročilo nižje izkoristke hidrolize, kar bi lahko bilo povezano z manjšo dostopnostjo površine. (prim. Nikolaivits et al. 2018)