Ultrazvokom pospešeno encimsko recikliranje plastike

Polietilen tereftalat (PET) je velik vir odpadkov, ki prihaja predvsem iz rabljenih steklenic za vodo in pijačo. Do nedavnega je recikliranje PET povzročilo nizko kakovost plastike. Nov mutirani encim obljublja razgradnjo PET v neokrnjeno surovino, ki jo je mogoče uporabiti za novo visokokakovostno plastiko. Ultrazvočno promovirani encimi kažejo večjo učinkovitost, pospešujejo encimsko recikliranje plastike in povečujejo procesne zmogljivosti.

Kako močan ultrazvok pospešuje encimsko recikliranje PET-a

• Drastično poveča dostopno površino PET-podlag, zaradi česar so oblike v prahu bistveno bolj odzivne na biokatalizo kot trdni filmi.
• Zmanjšuje zaviralne učinke kristalnosti polimera, kar omogoča pospešeno hidrolizo PET-a z nizko kristalnostjo.
• Deluje kot sprožilec ciljno usmerjene aktivacije, pri čemer kratka začetna ultrazvočna obdelava znatno pospeši sproščanje monomerov, kot sta tereftalna kislina (TA) in MHET.
• Izboljša prenos mase in stik na mejni ploskvi med encimom in polimerom, ne da bi bile potrebne agresivne toplotne ali kemične predobdelave.
• Zmanjša skupno porabo energije, saj ultrazvočno energijo omeji na kratko aktivacijsko fazo namesto na neprekinjene reakcijske pogoje.

Premagovanje fizičnih ovir z akustično kavitacijo

Poli(etilen tereftalat) (PET) se zaradi svoje visoke molekulske mase, hidrofobnosti in polikristalne strukture izkazuje za izjemno 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 toplotna nihanja na stiku med polimerom in topilom. Ta akustična energija nabrekne polimerno matriko, razbije toge kristalne domene in dramatično poveča razpoložljivo površino za vezavo biokatalizatorja. Z fizikalno pripravo substrata pred hidrolizo ali v njeni zgodnji fazi ultrazvok nevtralizira negativni vpliv kristalnosti in ustvari ugodnejše mikrookolje za encimski napad, s čimer vzpostavi visoko učinkovito podlago za trajnostno depolimerizacijo.

Sinergična aktivacija biokatalizatorjev kutinaze

Kombinacija močnega ultrazvoka z encimi kutinazo, zlasti s kutinazo 1 iz Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), kaže močno sinergistično delovanje, ki maksimira katalitično aktivnost ob ohranjanju celovitosti encima. Namesto ohranjanja neprekinjenega ultrazvočnega obsevanja sistem pripravimo z uporabo kratke 10-minutne aktivacijske faze na začetku hidrolize, kar povzroči izjemno 5,2- do 6,6-kratno povečanje sproščanja produktov razgradnje, kot sta TA in MHET. Ta kratek izbruh akustične energije verjetno izboljša mobilnost encima, poveča omočenje na mejni ploskvi in začasno spremeni površino polimera, da se spodbudi katalitično vezavo brez denaturacije beljakovine. Z ločitvijo visokoenergetskega vnosa od celotnega poteka reakcije sinergija med ultrazvokom in kutinazo prinaša znatno povečanje učinkovitosti depolimerizacije, hkrati pa ohranja stabilnost biokatalizatorja in zmanjšuje skupno porabo energije v procesu.

Morfologija substrata in prilagodljivost procesa

Na uspeh encimskega recikliranja PET-a z ultrazvočno podporo močno vplivata geometrija in fizikalna oblika substrata, pri čemer praškasti substrati dosledno dosegajo boljše rezultate kot neprekinjene folije. Študije kažejo, da je ultrazvočna aktivacija pri PET-praških približno trikrat učinkovitejša v primerjavi s folijami, predvsem zato, ker zrnata morfologija zagotavlja znatno večjo in lažje dostopno površino za encimsko hidrolizo. Medtem ko praški z nizko kristalnostjo (npr. 8 %) kažejo hiter in močan razgrad, tudi strukturirani substrati, kot so 7-odstotno kristalni PET-filmi, kažejo merljive prednosti, kot je 1,2-kratno izboljšanje sproščanja TA v podaljšanih 72-urnih reakcijskih obdobjih. Te morfološke odvisnosti poudarjajo nujnost prilagajanja ultrazvočnih parametrov lastnostim substrata, kar dokazuje, da lahko strateška sonikacija učinkovito poveže encimsko recikliranje v laboratorijskem obsegu s skalabilno, industrijsko izvedljivo valorizacijo plastičnih odpadkov.

Visoko zmogljivi ultrazvočni procesorji za encimske reakcije

Hielscher Ultrasonics ima dolgoletne izkušnje z načrtovanjem, proizvodnjo in distribucijo visoko zmogljivih ultrazvočnih aparatov za energetske aplikacije v laboratoriju in industriji. Naše znanje in izkušnje na področju sofisticirane ultrazvočne obdelave so del ponudbe, ki jo ponujamo našim strankam.
Naše stranke vodimo od prvega posvetovanja o testiranju izvedljivosti in optimizaciji procesov do končne namestitve in delovanja vašega ultrazvočnega sistema.
Naše natančno nadzorovane ultrazvočne naprave omogočajo vplivanje na encimsko aktivnost, kinetiko, termodinamične lastnosti in temperaturo obdelave.
Naš portfelj zmogljivih in zanesljivih ultrazvočnih procesorjev zajema celoten razpon od kompaktnih ročnih laboratorijskih naprav do namiznih in popolnoma industrijskih procesorjev. Od 200 vatov navzgor so vse ultrazvočne naprave opremljene z digitalnim zaslonom na dotik, inteligentno programsko opremo, daljinskim upravljanjem brskalnika in samodejnim protokoliranjem podatkov na integrirani kartici SD. Individualno nastavljiv način ultrazvočnega cikla (pulzni način) omogoča nastavitev in nadzor izpostavljenosti encimom (čas in čas počitka) ultrazvočnemu zdravljenju. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

O encimskem recikliranju plastike

Hidrolizni encim listno-vejska kompostna kutinaza (LLC) se pojavlja v naravi in prereže vezi med dvema gradnikoma polietilen tereftalata (PET), tereftalata in etilen glikola. Vendar pa sta splošna učinkovitost encima in njegova občutljivost na toploto dejavnika, ki omejujeta reakcijo, ki znatno zmanjšata učinkovitost procesa. Encim za kompostno kotinazo se začne razgrajevati pri 65 °C, medtem ko procesi razgradnje PET zahtevajo temperaturo 72 °C ali višjo, temperaturo, pri kateri se PET začne topiti. Staljeni PET je pomemben procesni dejavnik, saj talina ponuja večjo površino, na kateri lahko encim deluje.
Raziskovalci so preoblikovali naravni encim za kompost iz listnih vej in spremenili aminokisline na njegovih vezavnih mestih. To je povzročilo mutirani encim, ki kaže povečano aktivnost za 10.000-krat pri razbijanju PET vezi (v primerjavi z nativnim encimom LLC) in znatno izboljšano toplotno stabilnost. To pomeni, da se novi mutirani encim ne razgradi pri 72 °C, temperaturi, pri kateri se PET začne taliti.
Ultrazvočna disperzija in površinska aktivacija spodbujata encimsko katalitično reakcijo. Specifični parametri ultrazvočne obdelave, kot so ultrazvočna amplituda, čas, temperatura in tlak, se lahko natančno prilagodijo tipu encima, da se poveča njegova katalitična aktivnost. Parametri ultrazvočne obdelave in njihovi učinki na encime so odvisni od specifičnega tipa encima, njegove aminokislinske sestave in konformacijske strukture. Tako ima vsaka vrsta encima optimalne procesne pogoje, pod katerimi se doseže optimalna aktivacija encimov.

Ultrazvočna disperzija encima in substrata

Ultrazvočno ustvarjene strižne in mikroturbulence so dobro znane po svoji visoki učinkovitosti, ko gre za disperzijske aplikacije. Ultrazvočno inducirana disperzija encimskih agregatov in aglomeratov substratov izboljša encimsko katalitično aktivnost, saj razgradnja molekularnih agregatov in aglomeratov poveča aktivno površino med encimi in substratom za reakcijo.

Ultrazvočno promoviran encim Cutinase

Sonication je pokazal dobre rezultate pri aktivaciji encima utinaze Thc_Cut1 glede na njegovo hidrolizno aktivnost PET. Ultrazvočno povečana encimska razgradnja PET je povzročila 6,6-kratno povečanje sproščenih razgradnih produktov v primerjavi z neobdelanim PET. Povečanje kristalnega odstotka (28%) v PET prahu in filmih je povzročilo nižji izkoristek hidrolize, kar bi lahko bilo povezano z zmanjšano razpoložljivostjo površine. (prim. Nikolaivits et al. 2018)