การรีไซเคิลพลาสติกด้วยเอนไซม์ที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์

พอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) เป็นแหล่งขยะปริมาณมหาศาล ซึ่งส่วนใหญ่มาจากขวดน้ำและขวดเครื่องดื่มที่ใช้แล้ว จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ การรีไซเคิล PET ยังให้ผลผลิตเป็นพลาสติกคุณภาพต่ำ เอนไซม์กลายพันธุ์ชนิดใหม่มีศักยภาพในการย่อยสลาย PET ให้เป็นวัตถุดิบที่มีคุณภาพเสมือนใหม่ ซึ่งสามารถนำไปใช้ผลิตพลาสติกคุณภาพสูงชนิดใหม่ได้ เอนไซม์ที่ได้รับการส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ช่วยเร่งการรีไซเคิลพลาสติกด้วยเอนไซม์และเพิ่มกำลังการผลิตของกระบวนการ

อัลตราซาวนด์กำลังสูงเพิ่มประสิทธิภาพการรีไซเคิล PET ด้วยเอนไซม์ได้อย่างไร

• เพิ่มพื้นที่ผิวของสารตั้งต้น PET ที่เข้าถึงได้อย่างมาก ทำให้รูปแบบผงตอบสนองต่อการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพได้ดีกว่าฟิล์มแข็งอย่างมีนัยสำคัญ
• ลดผลยับยั้งจากความเป็นผลึกของพอลิเมอร์ ทำให้ PET ที่มีความเป็นผลึกต่ำเกิดไฮโดรไลซิสได้ด้วยอัตราที่เร็วขึ้น
• ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นการทำงานอย่างตรงเป้าหมาย โดยการใช้อัลตราซาวนด์ในช่วงเริ่มต้นเป็นเวลาสั้น ๆ ช่วยเพิ่มการปลดปล่อยมอนอเมอร์ เช่น กรดเทเรฟทาลิก (TA) และ MHET อย่างมาก
• เพิ่มการถ่ายเทมวลและการสัมผัสที่รอยต่อระหว่างเอนไซม์กับพอลิเมอร์ โดยไม่ต้องใช้การปรับสภาพล่วงหน้าด้วยความร้อนหรือสารเคมีที่รุนแรง
• ลดความต้องการพลังงานโดยรวม โดยจำกัดการใช้พลังงานอัลตราซาวนด์ไว้เฉพาะช่วงกระตุ้นสั้น ๆ แทนการใช้ตลอดช่วงที่ปฏิกิริยาดำเนินอย่างต่อเนื่อง

การเอาชนะอุปสรรคทางกายภาพด้วยคาวิเทชันเชิงเสียง

พอลิ(เอทิลีนเทเรฟทาเลต) (PET) รีไซเคิลด้วยกระบวนการชีวภาพได้ยากอย่างมาก เนื่องจากมีน้ำหนักโมเลกุลสูง สมบัติไม่ชอบน้ำ และโครงสร้างกึ่งผลึก ซึ่งโดยธรรมชาติจำกัดการแทรกซึมของเอนไซม์และการสัมผัสเพื่อเร่งปฏิกิริยา การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ช่วยขจัดข้อจำกัดทางกายภาพเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยก่อให้เกิดคาวิเทชันเชิงเสียง ซึ่งทำให้เกิดการผสมระดับจุลภาคเฉพาะบริเวณ แรงเฉือนเชิงกล และความผันผวนของอุณหภูมิที่ควบคุมได้ ณ รอยต่อระหว่างพอลิเมอร์กับตัวทำละลาย พลังงานเสียงนี้ทำให้เมทริกซ์พอลิเมอร์บวมตัว รบกวนบริเวณผลึกที่แข็ง และเพิ่มพื้นที่ผิวที่พร้อมให้ตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพยึดเกาะได้อย่างมาก การปรับสภาพสารตั้งต้นทางกายภาพก่อนหรือระหว่างระยะแรกของไฮโดรไลซิสด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยลบล้างผลเสียของความเป็นผลึก และสร้างสภาพแวดล้อมระดับจุลภาคที่เอื้อต่อการเข้าทำปฏิกิริยาของเอนไซม์มากขึ้น เป็นพื้นฐานที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการสลายพอลิเมอร์อย่างยั่งยืน

การกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพคิวทิเนสแบบเสริมฤทธิ์

การผสานอัลตราซาวนด์กำลังสูงกับเอนไซม์คิวทิเนส โดยเฉพาะ Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1) แสดงให้เห็นถึงการเสริมฤทธิ์ที่ทรงพลัง ซึ่งเพิ่มอัตราการหมุนเวียนในการเร่งปฏิกิริยาให้สูงสุด พร้อมรักษาความสมบูรณ์ของเอนไซม์ แทนที่จะฉายคลื่นอัลตราซาวนด์อย่างต่อเนื่อง การใช้ช่วงกระตุ้นสั้น ๆ เป็นเวลา 10 นาทีเมื่อเริ่มไฮโดรไลซิสช่วยเตรียมระบบให้พร้อม ส่งผลให้การปลดปล่อยผลิตภัณฑ์จากการย่อยสลาย เช่น TA และ MHET เพิ่มขึ้นอย่างโดดเด่นเป็น 5.2–6.6 เท่า การให้พลังงานเสียงช่วงสั้น ๆ นี้น่าจะช่วยให้เอนไซม์เคลื่อนที่ได้ดีขึ้น เพิ่มการเปียกที่รอยต่อ และปรับเปลี่ยนผิวพอลิเมอร์ชั่วคราวให้เอื้อต่อการจับเพื่อเร่งปฏิกิริยา โดยไม่ทำให้โปรตีนเสียสภาพ การแยกช่วงป้อนพลังงานสูงออกจากระยะเวลาทั้งหมดของปฏิกิริยาทำให้การเสริมฤทธิ์ระหว่างอัลตราซาวนด์กับคิวทิเนสเพิ่มประสิทธิภาพการสลายพอลิเมอร์ได้อย่างมาก พร้อมรักษาเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพและลดการใช้พลังงานโดยรวมของกระบวนการ

สัณฐานวิทยาของสารตั้งต้นและความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการ

ความสำเร็จของการรีไซเคิล PET ด้วยเอนไซม์ร่วมกับอัลตราซาวนด์ได้รับอิทธิพลอย่างมากจากรูปทรงเรขาคณิตและรูปแบบทางกายภาพของสารตั้งต้น โดยสารตั้งต้นรูปแบบผงให้ผลดีกว่าฟิล์มต่อเนื่องอย่างสม่ำเสมอ การศึกษาระบุว่าการกระตุ้นด้วยอัลตราซาวนด์มีประสิทธิผลต่อผง PET มากกว่าฟิล์มประมาณสามเท่า โดยหลักเป็นเพราะสัณฐานแบบเม็ดให้พื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่าและเข้าถึงได้มากกว่ามากสำหรับไฮโดรไลซิสด้วยเอนไซม์ แม้ว่าผงที่มีความเป็นผลึกต่ำ (เช่น 8%) จะย่อยสลายได้อย่างรวดเร็วและได้ผลดีอย่างสม่ำเสมอ แม้แต่สารตั้งต้นที่มีโครงสร้าง เช่น ฟิล์ม PET ที่มีความเป็นผลึก 7% ก็ยังแสดงประโยชน์ที่วัดได้ เช่น การปลดปล่อย TA ที่ดีขึ้นเป็น 1.2 เท่าในช่วงปฏิกิริยาที่ยาวนานถึง 72 ชั่วโมง การขึ้นอยู่กับสัณฐานเหล่านี้ชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการปรับพารามิเตอร์อัลตราซาวนด์ให้เหมาะกับลักษณะของสารตั้งต้น และพิสูจน์ว่าการใช้อัลตราซาวนด์อย่างมีกลยุทธ์สามารถเชื่อมโยงการรีไซเคิลด้วยเอนไซม์ในระดับห้องปฏิบัติการกับการเพิ่มมูลค่าขยะพลาสติกที่ขยายขนาดได้และใช้ได้จริงในระดับอุตสาหกรรมอย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับปฏิกิริยาของเอนไซม์

Hielscher Ultrasonics มีประสบการณ์ยาวนานในการออกแบบ ผลิต และจัดจำหน่ายเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับการใช้งานกำลังสูงในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม ความรู้และประสบการณ์ของเราในการประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ขั้นสูงเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่เรามอบให้แก่ลูกค้า
เราให้คำแนะนำแก่ลูกค้าตั้งแต่การปรึกษาเบื้องต้น การทดสอบความเป็นไปได้ และการปรับกระบวนการให้เหมาะสม ไปจนถึงการติดตั้งขั้นสุดท้ายและการใช้งานระบบอัลตราซาวนด์ของคุณ
อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของเราที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำช่วยให้ปรับการทำงานของเอนไซม์ จลนพลศาสตร์ สมบัติทางอุณหพลศาสตร์ ตลอดจนอุณหภูมิการประมวลผลได้
กลุ่มผลิตภัณฑ์เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ที่ทรงพลังและเชื่อถือได้ของเราครอบคลุมตั้งแต่อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขนาดกะทัดรัดแบบมือถือ ไปจนถึงเครื่องแบบตั้งโต๊ะและเครื่องสำหรับงานอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ทั้งหมดที่มีกำลังตั้งแต่ 200 วัตต์ขึ้นไปติดตั้งจอสัมผัสดิจิทัล ซอฟต์แวร์อัจฉริยะ ระบบควบคุมระยะไกลผ่านเบราว์เซอร์ และระบบบันทึกข้อมูลอัตโนมัติลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในเครื่อง โหมดรอบการใช้อัลตราซาวนด์ที่ปรับได้ตามต้องการ (โหมดพัลส์) ช่วยให้กำหนดและควบคุมการสัมผัสอัลตราซาวนด์ของเอนไซม์ได้ ทั้งระยะเวลาใช้งานและช่วงพัก ความแข็งแกร่งของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ของ Hielscher ทำให้ใช้งานแบบ 24/7 ได้ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดเข้มงวด
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:

เกี่ยวกับการรีไซเคิลพลาสติกด้วยเอนไซม์

เอนไซม์ไฮโดรไลซิสคิวทิเนสจากปุ๋ยหมักใบไม้และกิ่งไม้ (LLC) พบได้ในธรรมชาติ และตัดพันธะระหว่างองค์ประกอบพื้นฐานสองชนิดของพอลิเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) ได้แก่ เทเรฟทาเลตและเอทิลีนไกลคอล อย่างไรก็ตาม ประสิทธิผลโดยรวมและความไวต่อความร้อนของเอนไซม์เป็นปัจจัยที่จำกัดปฏิกิริยา ซึ่งลดประสิทธิภาพของกระบวนการอย่างมาก เอนไซม์คิวทิเนสจากปุ๋ยหมักใบไม้และกิ่งไม้เริ่มสลายตัวที่ 65°C ขณะที่กระบวนการย่อยสลาย PET ต้องใช้อุณหภูมิ 72°C หรือสูงกว่า ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ PET เริ่มหลอมเหลว PET ที่หลอมเหลวเป็นปัจจัยสำคัญของกระบวนการ เนื่องจากส่วนที่หลอมเหลวมีพื้นที่ผิวมากขึ้นให้เอนไซม์ทำงานได้
นักวิจัยได้ปรับวิศวกรรมเอนไซม์คิวทิเนสจากปุ๋ยหมักใบไม้และกิ่งไม้ที่พบตามธรรมชาติขึ้นใหม่ และเปลี่ยนกรดอะมิโนที่ตำแหน่งจับของเอนไซม์ ผลที่ได้คือเอนไซม์กลายพันธุ์ที่มีการทำงานในการตัดพันธะ PET เพิ่มขึ้น 10,000 เท่า (เมื่อเทียบกับเอนไซม์ LLC ดั้งเดิม) และมีเสถียรภาพต่อความร้อนดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่าเอนไซม์กลายพันธุ์ชนิดใหม่นี้ไม่สลายตัวที่ 72°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ PET เริ่มหลอมเหลว
การทำให้กระจายตัวและการกระตุ้นพื้นผิวด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยส่งเสริมปฏิกิริยาเร่งที่ขับเคลื่อนด้วยเอนไซม์ พารามิเตอร์เฉพาะของการใช้อัลตราซาวนด์ เช่น แอมพลิจูดของอัลตราซาวนด์ เวลา อุณหภูมิ และความดัน สามารถปรับให้ตรงกับชนิดของเอนไซม์ได้อย่างแม่นยำ เพื่อเพิ่มการทำงานในการเร่งปฏิกิริยา พารามิเตอร์การประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์และผลที่มีต่อเอนไซม์ขึ้นอยู่กับชนิดของเอนไซม์ องค์ประกอบกรดอะมิโน และโครงสร้างเชิงโครงรูป ดังนั้น เอนไซม์แต่ละชนิดจึงมีสภาวะกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งทำให้กระตุ้นเอนไซม์ได้อย่างเหมาะสมที่สุด

การทำให้เอนไซม์และสารตั้งต้นกระจายตัวด้วยอัลตราซาวนด์

แรงเฉือนและความปั่นป่วนระดับจุลภาคที่เกิดจากอัลตราซาวนด์เป็นที่ทราบกันดีว่ามีประสิทธิภาพสูงในงานทำให้กระจายตัว การกระจายตัวของกลุ่มรวมตัวของเอนไซม์และกลุ่มเกาะตัวของสารตั้งต้นที่เหนี่ยวนำด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่มการทำงานในการเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ เนื่องจากการแตกตัวของกลุ่มรวมตัวและกลุ่มเกาะตัวของโมเลกุลเพิ่มพื้นที่ผิวที่ใช้ทำปฏิกิริยาระหว่างเอนไซม์กับสารตั้งต้น

เอนไซม์คิวทิเนสที่ได้รับการส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์

การใช้อัลตราซาวนด์ให้ผลดีในการกระตุ้นเอนไซม์ utinase Thc_Cut1 ในด้านการทำงานในการไฮโดรไลซ์ PET การย่อยสลาย PET ด้วยเอนไซม์ที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้ผลิตภัณฑ์จากการย่อยสลายที่ปลดปล่อยออกมาเพิ่มขึ้นเป็น 6.6 เท่า เมื่อเทียบกับ PET ที่ไม่ได้ผ่านการใช้อัลตราซาวนด์ การเพิ่มสัดส่วนความเป็นผลึก (28%) ในผงและฟิล์ม PET ทำให้ได้ผลผลิตจากไฮโดรไลซิสต่ำลง ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับพื้นที่ผิวที่เข้าถึงได้ลดลง (เทียบกับ Nikolaivits et al. 2018)