การรีไซเคิลพลาสติกด้วยเอนไซม์ที่ได้รับการเสริมประสิทธิภาพด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) เป็นแหล่งขยะขนาดใหญ่ที่ส่วนใหญ่มาจากขวดน้ําและเครื่องดื่มที่ใช้แล้ว จนกระทั่งเมื่อเร็ว ๆ นี้การรีไซเคิล PET ส่งผลให้พลาสติกมีคุณภาพต่ํา เอนไซม์กลายพันธุ์ใหม่สัญญาว่าจะย่อยสลาย PET ให้เป็นวัตถุดิบที่บริสุทธิ์ ซึ่งสามารถใช้กับพลาสติกคุณภาพสูงใหม่ได้ เอนไซม์ที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิกแสดงประสิทธิภาพที่สูงขึ้นเร่งการรีไซเคิลเอนไซม์ของพลาสติกและเพิ่มกําลังการผลิตในกระบวนการ

วิธีที่คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการรีไซเคิล PET ด้วยกระบวนการทางเอนไซม์

• ช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวที่สามารถเข้าถึงได้ของวัสดุ PET อย่างมาก ทำให้รูปแบบผงมีปฏิกิริยาตอบสนองต่อการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพได้ดีกว่าฟิล์มแข็งอย่างมีนัยสำคัญ
• ช่วยลดผลกระทบเชิงยับยั้งจากความคริสตัลลีนของโพลิเมอร์ ทำให้ PET ที่มีความคริสตัลลีนต่ำสามารถเกิดการไฮโดรไลซิสได้เร็วขึ้น
• ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นการกระตุ้นแบบเฉพาะเป้าหมาย โดยการใช้คลื่นเสียงอัลตราโซนิกในช่วงเริ่มต้นอย่างสั้นๆ จะช่วยเพิ่มการปล่อยโมโนเมอร์ เช่น กรดเทเรฟทาลิก (TA) และ MHET ได้อย่างมีนัยสำคัญ
• ช่วยเพิ่มการถ่ายโอนมวลและการสัมผัสระหว่างพื้นผิวของเอนไซม์และโพลิเมอร์ โดยไม่จำเป็นต้องใช้การเตรียมล่วงหน้าด้วยอุณหภูมิสูงหรือสารเคมีที่รุนแรง
• ช่วยลดความต้องการพลังงานโดยรวมได้ โดยการจำกัดพลังงานอัลตราโซนิกให้อยู่ในช่วงการกระตุ้นที่สั้น แทนที่จะอยู่ในสภาพปฏิกิริยาต่อเนื่อง

การเอาชนะอุปสรรคทางกายภาพด้วยปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง

โพลี(เอทิลีน เทเรฟทาเลต) (PET) มีความต้านทานสูงต่อการรีไซเคิลทางชีวภาพ เนื่องจากมีน้ำหนักโมเลกุลสูง ลักษณะไม่ชอบน้ำ และโครงสร้างกึ่งผลึก ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วจะจำกัดการแทรกซึมของเอนไซม์และการสัมผัสทางคาตาไลติก การฉายคลื่นอัลตราโซนิกสามารถขจัดข้อจำกัดทางกายภาพเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการสร้างปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง ซึ่งก่อให้เกิดการผสมระดับจุลภาคในบริเวณเฉพาะ จุดแรงเฉือนเชิงกล และความผันผวนทางความร้อนที่ควบคุมได้ที่ผิวสัมผัสระหว่างโพลิเมอร์กับตัวทำละลาย พลังงานเสียงนี้ทำให้เมทริกซ์โพลิเมอร์บวมตัว ทำลายโดเมนผลึกที่แข็งตัว และเพิ่มพื้นที่ผิวที่มีอยู่สำหรับการยึดเกาะของตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพได้อย่างมาก ด้วยการปรับสภาพพื้นผิวของสารตั้งต้นทางกายภาพก่อนหรือระหว่างขั้นตอนการไฮโดรไลซิสในระยะเริ่มต้น การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยลดผลกระทบเชิงลบจากความผลึก และสร้างสภาพแวดล้อมจุลภาคที่เอื้ออำนวยต่อการโจมตีของเอนไซม์มากขึ้น ซึ่งก่อให้เกิดพื้นฐานที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการสลายพอลิเมอร์อย่างยั่งยืน

การกระตุ้นแบบเสริมฤทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพคูตินาส

การผสานรวมคลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงกับเอนไซม์คูตินาส โดยเฉพาะ Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1) แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์แบบเสริมฤทธิ์ที่ทรงพลัง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาให้สูงสุด พร้อมทั้งรักษาความสมบูรณ์ของเอนไซม์ไว้ แทนที่จะใช้การฉายคลื่นอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง การใช้ขั้นตอนการกระตุ้นสั้นๆ 10 นาทีตั้งแต่ต้นกระบวนการไฮโดรไลซิส จะช่วยเตรียมระบบให้พร้อม ซึ่งส่งผลให้การปล่อยผลิตภัณฑ์การสลายตัว เช่น TA และ MHET เพิ่มขึ้นอย่างน่าทึ่งถึง 5.2 ถึง 6.6 เท่า การปล่อยพลังงานเสียงแบบสั้นๆ นี้ น่าจะช่วยปรับปรุงความเคลื่อนที่ของเอนไซม์ เพิ่มการเปียกชื้นที่ผิวสัมผัส และปรับเปลี่ยนพื้นผิวของโพลิเมอร์ชั่วคราว เพื่อส่งเสริมการจับตัวทางคาตาไลติก โดยไม่ทำให้โปรตีนเสียโครงสร้าง ด้วยการแยกการป้อนพลังงานสูงออกจากช่วงเวลาปฏิกิริยาทั้งหมด ความร่วมมือระหว่างการอัลตราโซนิกและคูตินาสจึงให้ผลประโยชน์อย่างมากในด้านประสิทธิภาพการสลายพอลิเมอร์ พร้อมทั้งรักษาความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาชีวภาพและลดการบริโภคพลังงานของกระบวนการโดยรวม

ลักษณะทางกายภาพของวัสดุรองรับและความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการ

ความสำเร็จของกระบวนการรีไซเคิล PET ด้วยเอนไซม์ที่ได้รับการสนับสนุนจากคลื่นอัลตราโซนิกได้รับอิทธิพลอย่างมากจากรูปทรงและรูปแบบทางกายภาพของสารตั้งต้น โดยสารตั้งต้น dạngผงมีประสิทธิภาพสูงกว่าฟิล์มต่อเนื่องอย่างสม่ำเสมอ การศึกษาชี้ให้เห็นว่า การกระตุ้นด้วยคลื่นอัลตราโซนิกมีประสิทธิภาพสูงกว่าประมาณสามเท่าบนผง PET เมื่อเทียบกับฟิล์ม ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเพราะรูปทรงแบบเม็ดให้พื้นที่ผิวที่กว้างขึ้นอย่างมากและเข้าถึงได้ง่ายขึ้นสำหรับการไฮโดรไลซิสด้วยเอนไซม์ แม้ว่าผงที่มีระดับการตกผลึกต่ำ (เช่น 8%) จะแสดงการสลายตัวอย่างรวดเร็วและมั่นคง แต่แม้กระทั่งวัสดุที่มีโครงสร้างชัดเจน เช่น ฟิล์ม PET ที่มีระดับการตกผลึก 7% ก็ยังแสดงประโยชน์ที่วัดได้ เช่น การปรับปรุงการปล่อย TA เพิ่มขึ้น 1.2 เท่าในช่วงเวลาปฏิกิริยาที่ขยายออกไปเป็น 72 ชั่วโมง ความสัมพันธ์ทางรูปทรงเหล่านี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการปรับพารามิเตอร์อัลตราโซนิกให้เหมาะสมกับคุณสมบัติของสารตั้งต้น ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าการใช้คลื่นเสียงอย่างเชิงกลยุทธ์สามารถเชื่อมโยงการรีไซเคิลด้วยเอนไซม์ในระดับห้องปฏิบัติการกับการเพิ่มมูลค่าของขยะพลาสติกที่สามารถขยายขนาดได้และใช้งานได้ในอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับปฏิกิริยาเอนไซม์

Hielscher Ultrasonics มีประสบการณ์มาอย่างยาวนานในการออกแบบผลิตและจัดจําหน่ายเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการใช้งานด้านพลังงานในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม ความรู้และประสบการณ์ของเราในการประมวลผลอัลตราโซนิกที่ซับซ้อนเป็นส่วนหนึ่งของข้อเสนอที่เรามอบให้กับลูกค้าของเรา
เราแนะนําลูกค้าของเราตั้งแต่การให้คําปรึกษาครั้งแรกเกี่ยวกับการทดสอบความเป็นไปได้และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการไปจนถึงการติดตั้งขั้นสุดท้ายและการทํางานของระบบอัลตราโซนิกของคุณ
อุปกรณ์อัลตราโซนิกที่ควบคุมได้อย่างแม่นยําของเราช่วยให้สามารถมีอิทธิพลต่อกิจกรรมของเอนไซม์จลนศาสตร์คุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ตลอดจนอุณหภูมิในการประมวลผล
กลุ่มผลิตภัณฑ์โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกที่ทรงพลังและเชื่อถือได้ของเราครอบคลุมตั้งแต่อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการมือถือขนาดกะทัดรัดไปจนถึงโปรเซสเซอร์แบบตั้งโต๊ะและอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบ ตั้งแต่ 200 วัตต์ขึ้นไปอุปกรณ์อัลตราโซนิกทั้งหมดมีหน้าจอสัมผัสแบบดิจิตอลซอฟต์แวร์อัจฉริยะการควบคุมเบราว์เซอร์ระยะไกลและโปรโตคอลข้อมูลอัตโนมัติบนการ์ด SD ในตัว โหมดรอบ sonication ที่ปรับได้เป็นรายบุคคล (โหมดพัลส์) ช่วยให้สามารถตั้งค่าและควบคุมการสัมผัสเอนไซม์ (เวลาและช่วงเวลาพัก) กับการรักษาด้วยอัลตราโซนิก ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

เกี่ยวกับการรีไซเคิลพลาสติกแบบเอนไซม์

ไฮโดรไลซ์เอนไซม์ปุ๋ยหมักกิ่งใบ cutinase (LLC) เกิดขึ้นในธรรมชาติและตัดพันธะระหว่างส่วนประกอบสองตัวของโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET), เทเรฟทาเลต และเอทิลีนไกลคอล อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพโดยรวมของเอนไซม์และความไวต่อความร้อนเป็นปัจจัยจํากัดปฏิกิริยา ซึ่งลดประสิทธิภาพของกระบวนการลงอย่างมาก เอนไซม์คูติเนสปุ๋ยหมักกิ่งก้านเริ่มย่อยสลายที่อุณหภูมิ 65°C ในขณะที่กระบวนการย่อยสลายของ PET ต้องการอุณหภูมิ 72°C หรือสูงกว่า ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ PET เริ่มละลาย PET หลอมเหลวเป็นปัจจัยกระบวนการที่สําคัญ เนื่องจากการหลอมเหลวมีพื้นที่ผิวที่สูงขึ้นซึ่งเอนไซม์สามารถทํางานได้
นักวิจัยได้ออกแบบเอนไซม์คูติเนสปุ๋ยหมักกิ่งก้านที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติและเปลี่ยนกรดอะมิโนที่บริเวณที่ยึดเกาะ ส่งผลให้เอนไซม์กลายพันธุ์ซึ่งแสดงกิจกรรมเพิ่มขึ้น 10,000 เท่าในการทําลายพันธะ PET (เมื่อเทียบกับเอนไซม์ LLC ดั้งเดิม) และความเสถียรทางความร้อนที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสําคัญ ซึ่งหมายความว่าเอนไซม์กลายพันธุ์ใหม่จะไม่สลายตัวที่อุณหภูมิ 72°C ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ PET เริ่มละลาย
การกระจายอัลตราโซนิกและการกระตุ้นพื้นผิวส่งเสริมปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ขับเคลื่อนด้วยเอนไซม์ พารามิเตอร์ sonication เฉพาะเช่นแอมพลิจูดอัลตราโซนิกเวลาอุณหภูมิและความดันสามารถปรับให้เข้ากับประเภทเอนไซม์เพื่อเพิ่มกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยา พารามิเตอร์การประมวลผลอัลตราโซนิกและผลกระทบต่อเอนไซม์ขึ้นอยู่กับชนิดของเอนไซม์เฉพาะองค์ประกอบของกรดอะมิโนและโครงสร้างโครงสร้าง ด้วยเหตุนี้เอนไซม์แต่ละประเภทจึงมีสภาวะกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดซึ่งบรรลุการกระตุ้นเอนไซม์ที่เหมาะสมที่สุด

การกระจายตัวของอัลตราโซนิกของเอนไซม์และพื้นผิว

แรงเฉือนและความปั่นป่วนขนาดเล็กที่สร้างขึ้นด้วยอัลตราโซนิกเป็นที่รู้จักกันดีในด้านประสิทธิภาพสูงในการใช้งานการกระจายตัว การกระจายตัวของเอนไซม์ที่เหนี่ยวนําด้วยอัลตราโซนิกและการรวมตัวกันของสารตั้งต้นช่วยเพิ่มกิจกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์เนื่องจากการสลายตัวของมวลรวมโมเลกุลและการรวมตัวกันจะเพิ่มพื้นที่ผิวที่ใช้งานอยู่ระหว่างเอนไซม์และสารตั้งต้นสําหรับปฏิกิริยา

เอนไซม์คิวติเนสที่ส่งเสริมด้วยอัลตราโซนิก

Sonication ได้แสดงผลลัพธ์ที่ดีในการกระตุ้นเอนไซม์ utinase Thc_Cut1 เกี่ยวกับกิจกรรมไฮโดรไลซิส PET การย่อยสลายของเอนไซม์ที่เพิ่มขึ้นด้วยอัลตราโซนิกของ PET ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ย่อยสลายที่ปล่อยออกมาเพิ่มขึ้น 6.6 เท่าเมื่อเทียบกับ PET ที่ไม่ผ่านการบําบัด การเพิ่มขึ้นของเปอร์เซ็นต์ผลึก (28%) ในผงและฟิล์ม PET ส่งผลให้ผลผลิตไฮโดรไลซิสลดลง ซึ่งอาจเกี่ยวข้องกับความพร้อมใช้งานของพื้นผิวที่ลดลง (อ้างอิง Nikolaivits et al. 2018)