Ultraljudsintensifierad enzymatisk plaståtervinning

Polyetylentereftalat (PET) är en mycket stor avfallskälla som främst härrör från använda vatten- och dryckesflaskor. Fram till nyligen resulterade återvinning av PET i plaster av låg kvalitet. Ett nytt muterat enzym utlovar nedbrytning av PET till jungfrulig råvara, som kan användas för nya högkvalitativa plaster. Enzymer vars aktivitet främjas av ultraljud uppvisar högre effektivitet, vilket påskyndar den enzymatiska återvinningen av plaster och ökar processkapaciteten.

Så intensifierar effektultraljud enzymatisk PET-återvinning

• Ökar drastiskt den tillgängliga ytarean hos PET-substrat, vilket gör pulverformer betydligt mer mottagliga för biokatalys än fasta filmer.
• Minskar de hämmande effekterna av polymerens kristallinitet, vilket gör att PET med låg kristallinitet kan hydrolyseras snabbare.
• Fungerar som en riktad aktiveringsutlösare, där en kort inledande ultraljudsbehandling dramatiskt ökar frisättningen av monomerer som tereftalsyra (TA) och MHET.
• Förbättrar masstransporten och kontakten vid gränsytan mellan enzymet och polymeren utan att kräva hårda termiska eller kemiska förbehandlingar.
• Minskar det totala energibehovet genom att begränsa tillförseln av ultraljudsenergi till en kort aktiveringsfas i stället för att tillföra den kontinuerligt under reaktionen.

Övervinn fysiska barriärer genom akustisk kavitation

Poly(etylentereftalat) (PET) är mycket motståndskraftigt mot biologisk återvinning på grund av sin höga molekylvikt, hydrofobicitet och semikristallina struktur, som naturligt begränsar enzymers inträngning och katalytiska kontakt. Ultraljudsbestrålning undanröjer effektivt dessa fysiska begränsningar genom att generera akustisk kavitation, som ger upphov till lokal mikroblandning, mekaniska skjuvkrafter och kontrollerade temperaturfluktuationer vid gränsytan mellan polymer och lösningsmedel. Denna akustiska energi får polymermatrisen att svälla, bryter upp styva kristallina domäner och ökar dramatiskt den tillgängliga ytarean där biokatalysatorer kan fästa. Genom att fysiskt konditionera substratet före eller under hydrolysens tidiga skede neutraliserar ultraljudsbehandlingen kristallinitetens negativa inverkan och skapar en gynnsammare mikromiljö för enzymatiskt angrepp, vilket lägger en mycket effektiv grund för hållbar depolymerisering.

Synergistisk aktivering av kutinasbiokatalysatorer

Integreringen av effektultraljud med kutinasenzymer, särskilt Thermobifida cellulosilytica-kutinas 1 (Thc_cut1), uppvisar en kraftfull synergi som maximerar den katalytiska omsättningen samtidigt som enzymets integritet bevaras. I stället för kontinuerlig ultraljudsbestrålning förbereds systemet genom en kort aktiveringsfas på 10 minuter vid hydrolysens början, vilket resulterar i en anmärkningsvärd 5,2–6,6-faldig ökning av frisättningen av nedbrytningsprodukter som TA och MHET. Denna korta puls av akustisk energi förbättrar sannolikt enzymets rörlighet, förbättrar vätningen vid gränsytan och modifierar tillfälligt polymerytan så att katalytisk bindning gynnas utan att proteinet denatureras. Genom att frikoppla den höga energitillförseln från det fullständiga reaktionsförloppet ger synergin mellan ultraljudsbehandling och kutinas betydande förbättringar av depolymeriseringens effektivitet samtidigt som biokatalysatorns stabilitet bibehålls och processens totala energiförbrukning minskar.

Substratmorfologi och processens skalbarhet

Resultatet av ultraljudsassisterad enzymatisk PET-återvinning påverkas i hög grad av substratets geometri och fysiska form, och pulverformiga substrat ger genomgående bättre resultat än sammanhängande filmer. Studier visar att ultraljudsaktivering är ungefär tre gånger effektivare på PET-pulver än på filmer, främst eftersom den granulära morfologin ger en avsevärt större och mer tillgänglig yta för enzymatisk hydrolys. Medan pulver med låg kristallinitet (t.ex. 8%) uppvisar snabb och robust nedbrytning, visar även strukturerade substrat som PET-filmer med 7% kristallinitet mätbara fördelar, såsom att frisättningen av TA ökar till 1,2 gånger den ursprungliga nivån under förlängda reaktionsperioder på 72 timmar. Dessa morfologiska beroenden understryker behovet av att anpassa ultraljudsparametrarna till substratets egenskaper och visar att strategisk ultraljudsbehandling effektivt kan förena enzymatisk återvinning i laboratorieskala med skalbar, industriellt gångbar förädling av plastavfall.

Högpresterande ultraljudsprocessorer för enzymatiska reaktioner

Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av att konstruera, tillverka och distribuera högpresterande ultraljudsapparater för tillämpningar med högeffektsultraljud i laboratorier och industri. Vår kunskap och erfarenhet inom avancerad ultraljudsbehandling ingår i vårt erbjudande till kunderna.
Vi vägleder våra kunder från den första rådgivningen via genomförbarhetstester och processoptimering till den slutliga installationen och driften av ert ultraljudssystem.
Våra exakt reglerbara ultraljudsapparater gör det möjligt att påverka enzymaktivitet, kinetik, termodynamiska egenskaper samt processtemperatur.
Vårt sortiment av kraftfulla och tillförlitliga ultraljudsprocessorer täcker hela spannet från kompakta handhållna laboratorieapparater till bänkmodeller och helt industriella processorer. Från 200 watt och uppåt är alla ultraljudsapparater utrustade med en digital pekskärm, intelligent programvara, fjärrstyrning via webbläsare och automatisk dataloggning på ett inbyggt SD-kort. Det individuellt justerbara cykelläget för ultraljudsbehandling (pulsläge) gör det möjligt att ställa in och styra enzymets exponering för ultraljudsbehandlingen (behandlingstid och viloperioder). Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:

Om enzymatisk plaståtervinning

Det hydrolyserande enzymet kutinas från löv- och grenkompost (LLC) förekommer i naturen och klyver bindningarna mellan de två byggstenarna i polyetentereftalat (PET), tereftalat och etylenglykol. Enzymets övergripande effektivitet och värmekänslighet är dock reaktionsbegränsande faktorer som minskar processens effektivitet avsevärt. Kutinasenzymet från löv- och grenkompost börjar brytas ned vid 65°C, medan processer för PET-nedbrytning kräver temperaturer på 72°C eller högre, den temperatur vid vilken PET börjar smälta. Smält PET är en viktig processfaktor eftersom smältan erbjuder en större yta där enzymet kan verka.
Forskare har modifierat det naturligt förekommande kutinasenzymet från löv- och grenkompost och ändrat aminosyror vid dess bindningsställen. Detta resulterade i ett muterat enzym som uppvisar en 10 000 gånger högre aktivitet vid klyvning av PET-bindningar (jämfört med det naturliga LLC-enzymet) och en avsevärt förbättrad värmestabilitet. Detta innebär att det nya muterade enzymet inte bryts ned vid 72°C, den temperatur vid vilken PET börjar smälta.
Dispergering och ytaktivering med ultraljud främjar enzymatiskt drivna katalytiska reaktioner. Specifika parametrar för ultraljudsbehandling, såsom ultraljudsamplitud, tid, temperatur och tryck, kan anpassas exakt till enzymtypen för att öka dess katalytiska aktivitet. Parametrarna för ultraljudsbehandling och deras effekter på enzymer beror på den specifika enzymtypen, dess aminosyrasammansättning och konformationsstruktur. Därmed har varje enzymtyp optimala processförhållanden under vilka optimal enzymaktivering uppnås.

Ultraljudsdispergering av enzym och substrat

Ultraljudsgenererad skjuvning och mikroturbulens är välkända för sin höga effektivitet vid dispergering. Ultraljudsinducerad dispergering av såväl enzymaggregat som substratagglomerat förbättrar den enzymatiska katalytiska aktiviteten, eftersom sönderdelningen av molekylära aggregat och agglomerat ökar den aktiva kontaktytan mellan enzymer och substrat där reaktionen kan ske.

Kutinasenzym med ultraljudsfrämjad aktivitet

Ultraljudsbehandling har visat goda resultat vid aktivering av enzymet kutinas Thc_Cut1 med avseende på dess aktivitet vid PET-hydrolys. Den ultraljudsförstärkta enzymatiska nedbrytningen av PET resulterade i en ökning av mängden frigjorda nedbrytningsprodukter med en faktor på 6,6 jämfört med obehandlad PET. En ökning av den kristallina andelen (28%) i PET-pulver och PET-filmer resulterade i lägre hydrolysutbyten, vilket skulle kunna vara relaterat till den minskade tillgängliga ytan. (jfr Nikolaivits et al. 2018)