Tái chế nhựa bằng enzyme được tăng cường nhờ siêu âm

Polyethylene terephthalate (PET) là một nguồn chất thải khổng lồ, chủ yếu đến từ các chai nước và đồ uống đã qua sử dụng. Cho đến gần đây, việc tái chế PET vẫn tạo ra nhựa chất lượng thấp. Một enzyme đột biến mới hứa hẹn phân hủy PET thành nguyên liệu nguyên sinh có thể dùng để sản xuất nhựa mới chất lượng cao. Các enzyme được thúc đẩy bằng siêu âm cho thấy hiệu suất cao hơn, đẩy nhanh quá trình tái chế nhựa bằng enzyme và tăng năng lực xử lý của quy trình.

Siêu âm công suất tăng cường tái chế PET bằng enzyme như thế nào

• Tăng mạnh diện tích bề mặt có thể tiếp cận của cơ chất PET, giúp dạng bột đáp ứng với xúc tác sinh học tốt hơn đáng kể so với dạng màng rắn.
• Giảm tác động ức chế của độ kết tinh polymer, cho phép PET có độ kết tinh thấp thủy phân với tốc độ nhanh hơn.
• Đóng vai trò là tác nhân kích hoạt có mục tiêu, trong đó việc xử lý siêu âm ngắn ở giai đoạn đầu làm tăng mạnh sự giải phóng các monomer như axit terephthalic (TA) và MHET.
• Tăng cường truyền khối và tiếp xúc tại bề mặt phân cách giữa enzyme và polymer mà không cần các bước tiền xử lý bằng nhiệt hoặc hóa chất khắc nghiệt.
• Giảm nhu cầu năng lượng tổng thể bằng cách chỉ sử dụng năng lượng siêu âm trong một giai đoạn kích hoạt ngắn thay vì duy trì trong suốt phản ứng.

Vượt qua các rào cản vật lý nhờ xâm thực âm học

Poly(ethylene terephthalate) (PET) rất khó tái chế bằng phương pháp sinh học do có khối lượng phân tử cao, tính kỵ nước và cấu trúc bán tinh thể, vốn hạn chế sự xâm nhập của enzyme và tiếp xúc xúc tác. Chiếu xạ siêu âm khắc phục hiệu quả những hạn chế vật lý này bằng cách tạo ra xâm thực âm học, gây trộn vi mô cục bộ, lực cắt cơ học và các dao động nhiệt có kiểm soát tại bề mặt phân cách polymer–dung môi. Năng lượng âm này làm trương nở nền polymer, phá vỡ các miền tinh thể cứng và tăng mạnh diện tích bề mặt sẵn có để chất xúc tác sinh học bám vào. Bằng cách điều chỉnh trạng thái vật lý của cơ chất trước hoặc trong giai đoạn đầu của quá trình thủy phân, xử lý siêu âm vô hiệu hóa tác động tiêu cực của độ kết tinh và tạo ra vi môi trường thuận lợi hơn cho tác động phân giải của enzyme, thiết lập nền tảng có hiệu suất cao cho quá trình khử trùng hợp bền vững.

Kích hoạt hiệp đồng các chất xúc tác sinh học cutinase

Việc kết hợp siêu âm công suất với các enzyme cutinase, đặc biệt là Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1), cho thấy mối quan hệ hiệp đồng mạnh mẽ giúp tối đa hóa tốc độ chu chuyển xúc tác đồng thời bảo toàn tính toàn vẹn của enzyme. Thay vì duy trì chiếu xạ siêu âm liên tục, việc áp dụng một giai đoạn kích hoạt ngắn kéo dài 10 phút ngay khi bắt đầu thủy phân giúp hệ thống sẵn sàng hoạt động, khiến lượng sản phẩm phân hủy được giải phóng, chẳng hạn như TA và MHET, tăng đáng kể từ 5,2 đến 6,6 lần. Đợt cung cấp năng lượng âm ngắn này có khả năng cải thiện tính linh động của enzyme, tăng cường sự thấm ướt tại bề mặt phân cách và tạm thời biến đổi bề mặt polymer để tạo thuận lợi cho sự liên kết xúc tác mà không làm biến tính protein. Bằng cách tách giai đoạn cung cấp năng lượng cao khỏi toàn bộ thời gian phản ứng, tác dụng hiệp đồng giữa xử lý siêu âm và cutinase giúp tăng đáng kể hiệu suất khử trùng hợp, đồng thời duy trì độ ổn định của chất xúc tác sinh học và giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng của quy trình.

Hình thái cơ chất và khả năng mở rộng quy mô quy trình

Sự thành công của quá trình tái chế PET bằng enzyme có hỗ trợ siêu âm chịu ảnh hưởng lớn từ hình dạng và dạng vật lý của cơ chất, trong đó cơ chất dạng bột luôn cho hiệu quả cao hơn màng liên tục. Các nghiên cứu cho thấy việc hoạt hóa bằng siêu âm có hiệu quả trên bột PET cao gấp khoảng ba lần so với trên màng, chủ yếu vì hình thái dạng hạt cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều và dễ tiếp cận hơn cho quá trình thủy phân bằng enzyme. Trong khi bột có độ kết tinh thấp (ví dụ: 8%) phân hủy nhanh và mạnh, ngay cả các cơ chất có cấu trúc như màng PET có độ kết tinh 7% cũng cho thấy những lợi ích đo lường được, chẳng hạn như lượng TA được giải phóng tăng lên gấp 1,2 lần trong thời gian phản ứng kéo dài 72 giờ. Sự phụ thuộc vào hình thái này cho thấy cần phải điều chỉnh các thông số siêu âm phù hợp với đặc tính cơ chất, chứng minh rằng việc xử lý siêu âm có chiến lược có thể kết nối hiệu quả quá trình tái chế bằng enzyme ở quy mô phòng thí nghiệm với việc tận dụng chất thải nhựa để tạo giá trị có khả năng mở rộng quy mô và khả thi trong công nghiệp.

Thiết bị xử lý siêu âm hiệu suất cao cho các phản ứng enzyme

Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm lâu năm trong thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng siêu âm công suất trong phòng thí nghiệm và công nghiệp. Kiến thức và kinh nghiệm của chúng tôi về các quy trình xử lý siêu âm phức tạp là một phần trong những gì chúng tôi cung cấp cho khách hàng.
Chúng tôi đồng hành cùng khách hàng từ tư vấn ban đầu, thử nghiệm tính khả thi và tối ưu hóa quy trình đến lắp đặt và vận hành hệ thống siêu âm của khách hàng.
Các thiết bị siêu âm có khả năng điều khiển chính xác của chúng tôi cho phép tác động đến hoạt tính enzyme, động học, các tính chất nhiệt động lực học cũng như nhiệt độ xử lý.
Danh mục thiết bị xử lý siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy của chúng tôi bao quát đầy đủ từ thiết bị phòng thí nghiệm cầm tay nhỏ gọn đến các thiết bị xử lý để bàn và thiết bị xử lý hoàn toàn ở quy mô công nghiệp. Từ 200 oát trở lên, tất cả các thiết bị siêu âm đều được trang bị màn hình cảm ứng kỹ thuật số, phần mềm thông minh, khả năng điều khiển từ xa qua trình duyệt và chức năng tự động ghi dữ liệu trên thẻ SD tích hợp. Chế độ chu kỳ xử lý siêu âm có thể điều chỉnh riêng (chế độ xung) cho phép thiết lập và kiểm soát thời gian enzyme tiếp xúc với siêu âm (thời gian xử lý và thời gian nghỉ). Độ bền của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:

Về tái chế nhựa bằng enzyme

Enzyme thủy phân cutinase từ phân ủ lá và cành cây (LLC) có trong tự nhiên và cắt các liên kết giữa hai đơn vị cấu thành polyethylene terephthalate (PET), là terephthalate và ethylene glycol. Tuy nhiên, hiệu quả tổng thể và tính nhạy nhiệt của enzyme là những yếu tố giới hạn phản ứng, làm giảm đáng kể hiệu suất của quá trình. Enzyme cutinase từ phân ủ lá và cành cây bắt đầu phân hủy ở 65°C, trong khi các quá trình phân hủy PET đòi hỏi nhiệt độ từ 72°C trở lên, là nhiệt độ mà PET bắt đầu nóng chảy. PET nóng chảy là một yếu tố quan trọng của quá trình vì trạng thái nóng chảy cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn để enzyme tác động.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế lại enzyme cutinase từ phân ủ lá và cành cây có trong tự nhiên và thay đổi các axit amin tại các vị trí liên kết của enzyme. Kết quả là một enzyme đột biến có hoạt tính phá vỡ liên kết PET tăng 10.000 lần (so với enzyme LLC tự nhiên) và độ bền nhiệt được cải thiện đáng kể. Điều này có nghĩa là enzyme đột biến mới không phân hủy ở 72°C, là nhiệt độ mà PET bắt đầu nóng chảy.
Sự phân tán và hoạt hóa bề mặt bằng siêu âm thúc đẩy phản ứng xúc tác do enzyme thực hiện. Các thông số xử lý siêu âm cụ thể như biên độ siêu âm, thời gian, nhiệt độ và áp suất có thể được điều chỉnh chính xác theo từng loại enzyme để tăng hoạt tính xúc tác của enzyme đó. Các thông số xử lý siêu âm và ảnh hưởng của chúng lên enzyme phụ thuộc vào loại enzyme cụ thể, thành phần axit amin và cấu trúc không gian của enzyme. Do đó, mỗi loại enzyme có các điều kiện xử lý tối ưu để đạt được mức hoạt hóa enzyme tối ưu.

Phân tán enzyme và cơ chất bằng siêu âm

Lực cắt và các dòng chảy rối vi mô do siêu âm tạo ra được biết đến rộng rãi nhờ hiệu quả cao trong các ứng dụng phân tán. Sự phân tán các tập hợp enzyme cũng như các khối kết tụ cơ chất bằng siêu âm giúp cải thiện hoạt tính xúc tác của enzyme, vì việc phá vỡ các tập hợp và khối kết tụ phân tử làm tăng diện tích bề mặt hoạt động giữa enzyme và cơ chất để phản ứng diễn ra.

Enzyme cutinase được tăng cường hoạt tính bằng siêu âm

Xử lý siêu âm đã cho thấy kết quả tốt trong việc hoạt hóa enzyme cutinase Thc_Cut1 xét về hoạt tính thủy phân PET của enzyme này. Quá trình phân hủy PET bằng enzyme được tăng cường bằng siêu âm làm tăng lượng sản phẩm phân hủy được giải phóng lên 6,6 lần so với PET không được xử lý. Sự gia tăng tỷ lệ kết tinh (28%) trong bột và màng PET dẫn đến hiệu suất thủy phân thấp hơn, có thể liên quan đến việc giảm diện tích bề mặt có thể tiếp cận. (xem Nikolaivits và cộng sự, 2018)