Ултразвучно интензивирана ензимска рециклажа пластике

Полиетилен-терефталат (PET) представља огроман извор отпада који углавном потиче од употребљених боца за воду и напитке. До недавно се рециклажом PET-а добијала пластика ниског квалитета. Нови мутантни ензим обећава разградњу PET-а до сировине изворне чистоће, која се може користити за производњу нове висококвалитетне пластике. Ензими чије је деловање подстакнуто ултразвуком показују већу ефикасност, убрзавајући ензимску рециклажу пластике и повећавајући процесне капацитете.

Како ултразвук велике снаге интензивира ензимску рециклажу PET-а

• Драстично повећава доступну површину PET супстрата, чинећи прашкасте облике знатно подложнијим биокатализи од чврстих фолија.
• Ублажава инхибиторне ефекте кристалиничности полимера, омогућавајући убрзану хидролизу PET-а ниске кристалиничности.
• Делује као циљани окидач активације, при чему кратка почетна соникација драстично повећава ослобађање мономера као што су терефтална киселина (TA) и MHET.
• Побољшава пренос масе и контакт између ензима и полимера на међуфазној површини, без потребе за оштрим термичким или хемијским предтретманима.
• Смањује укупне енергетске потребе ограничавањем примене ултразвучне енергије на кратку фазу активације уместо њене непрекидне примене током реакције.

Превазилажење физичких баријера акустичном кавитацијом

Поли(етилен-терефталат) (PET) показује значајну отпорност на биолошку рециклажу због своје велике молекулске масе, хидрофобности и полукристалне структуре, које природно ограничавају продирање ензима и каталитички контакт. Излагање ултразвуку ефикасно отклања ова физичка ограничења стварањем акустичне кавитације, која изазива локализовано микромешање, механичке смичуће силе и контролисане температурне флуктуације на међуфазној површини полимер–растварач. Ова акустична енергија изазива бубрење полимерне матрице, нарушава круте кристалне домене и драстично повећава расположиву површину за везивање биокатализатора. Физичким кондиционирањем супстрата пре хидролизе или током њене ране фазе, соникација неутралише негативан утицај кристалиничности и ствара повољније микроокружење за ензимско деловање, успостављајући високо ефикасну основу за одрживу деполимеризацију.

Синергијска активација кутиназних биокатализатора

Комбиновање ултразвука велике снаге са ензимима кутиназама, нарочито са кутиназом 1 бактерије Thermobifida cellulosilytica (Thc_cut1), показује снажно синергијско дејство које максимизује каталитички обрт уз очување интегритета ензима. Уместо непрекидног излагања ултразвуку, примена кратке фазе активације од 10 минута на почетку хидролизе припрема систем, што доводи до изузетног повећања ослобађања производа разградње, као што су TA и MHET, за 5,2 до 6,6 пута. Овај кратки импулс акустичне енергије вероватно побољшава покретљивост ензима, поспешује квашење на међуфазној површини и привремено модификује површину полимера тако да погодује каталитичком везивању, без денатурације протеина. Одвајањем уноса велике количине енергије од целокупног трајања реакције, синергија соникације и кутиназе доноси значајна побољшања ефикасности деполимеризације, уз очување стабилности биокатализатора и смањење укупне потрошње енергије у процесу.

Морфологија супстрата и скалабилност процеса

На успех ензимске рециклаже PET-а потпомогнуте ултразвуком снажно утичу геометрија и физички облик супстрата, при чему прашкасти супстрати доследно дају боље резултате од континуалних филмова. Истраживања показују да је ултразвучна активација приближно три пута ефикаснија код прахова PET-а него код филмова, првенствено зато што зрнаста морфологија обезбеђује знатно већу и приступачнију површину за ензимску хидролизу. Док прахови ниске кристалности (нпр. 8%) показују брзу и интензивну разградњу, чак и структурирани супстрати попут филмова PET-а са 7% кристалности показују мерљиве користи, као што је повећање ослобађања TA за 1,2 пута током продужених реакционих периода од 72 сата. Ове зависности од морфологије истичу неопходност прилагођавања ултразвучних параметара карактеристикама супстрата, доказујући да стратешка примена соникације може ефикасно повезати ензимску рециклажу у лабораторијским размерама са скалабилном, индустријски одрживом валоризацијом пластичног отпада.

Ултразвучни процесори високих перформанси за ензимске реакције

Hielscher Ultrasonics има дугогодишње искуство у пројектовању, производњи и дистрибуцији ултразвучних уређаја високих перформанси за примене ултразвука високог интензитета у лабораторији и индустрији. Наше знање и искуство у напредној ултразвучној обради део су понуде коју пружамо нашим купцима.
Водимо наше купце од првих консултација, преко испитивања изводљивости и оптимизације процеса, до коначне инсталације и рада вашег ултразвучног система.
Наши ултразвучни уређаји са прецизном контролом омогућавају утицај на активност ензима, кинетику, термодинамичка својства, као и на температуру обраде.
Наш асортиман снажних и поузданих ултразвучних процесора обухвата читав распон, од компактног ручног лабораторијског уређаја до стоних и потпуно индустријских процесора. Од 200 вати навише, сви ултразвучни уређаји опремљени су дигиталним екраном осетљивим на додир, интелигентним софтвером, даљинским управљањем преко прегледача и аутоматским бележењем података на уграђену SD картицу. Појединачно подесив режим циклуса соникације (пулсни режим) омогућава подешавање и контролу излагања ензима ултразвучној обради (трајања излагања и периода одмора). Робусност ултразвучне опреме Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.
Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја:

О ензимској рециклажи пластике

Хидролитички ензим кутиназа из компоста лишћа и грања (LLC) јавља се у природи и раскида везе између две градивне компоненте полиетилен-терефталата (PET), терефталата и етилен-гликола. Међутим, укупна ефикасност ензима и његова осетљивост на топлоту ограничавају реакцију, што значајно смањује ефикасност процеса. Ензим кутиназа из компоста лишћа и грања почиње да се разграђује на 65°C, док процеси разградње PET захтевају температуре од 72°C или више, што је температура на којој PET почиње да се топи. Растопљени PET је важан фактор у процесу јер растоп пружа већу површину на којој ензим може да делује.
Истраживачи су модификовали природни ензим кутиназу из компоста лишћа и грања и променили аминокиселине на његовим местима везивања. Тако је добијен мутантни ензим који показује 10.000 пута већу активност у раскидању веза у PET (у поређењу са природним ензимом LLC) и значајно побољшану термостабилност. То значи да се нови мутантни ензим не разграђује на 72°C, температури на којој PET почиње да се топи.
Ултразвучно дисперговање и активација површине подстичу ензимски катализовану реакцију. Конкретни параметри соникације, као што су амплитуда ултразвука, време, температура и притисак, могу се прецизно прилагодити типу ензима како би се повећала његова каталитичка активност. Параметри ултразвучне обраде и њихови ефекти на ензиме зависе од конкретног типа ензима, његовог аминокиселинског састава и конформационе структуре. Стога за сваки тип ензима постоје оптимални процесни услови у којима се постиже оптимална активација ензима.

Ултразвучно дисперговање ензима и супстрата

Смицање и микротурбуленције настали дејством ултразвука добро су познати по високој ефикасности у поступцима дисперговања. Ултразвучно изазвано дисперговање агрегата ензима, као и агломерата супстрата, побољшава ензимску каталитичку активност јер разбијање молекулских агрегата и агломерата повећава активну површину за реакцију између ензима и супстрата.

Ултразвучно подстицање ензима кутиназе

Соникација је показала добре резултате у активацији ензима кутиназе Thc_Cut1 у погледу његове активности у хидролизи PET. Ултразвучно појачана ензимска разградња PET довела је до 6,6 пута веће количине ослобођених производа разградње у поређењу са нетретираним PET. Повећање удела кристалне фазе (28%) у праху и фолијама PET довело је до нижих приноса хидролизе, што би могло бити повезано са смањеном доступношћу површине. (уп. Nikolaivits et al. 2018)