Tái chế nhựa bằng phương pháp enzym được tăng cường bằng sóng siêu âm

Polyethylene terephthalate (PET) là một nguồn thải khổng lồ chủ yếu đến từ nước đã qua sử dụng và chai nước giải khát. Cho đến gần đây, việc tái chế PET dẫn đến nhựa chất lượng thấp. Một enzyme đột biến mới hứa hẹn sự phân hủy PET thành nguyên liệu nguyên sơ, có thể được sử dụng cho nhựa chất lượng cao mới. Các enzyme được thúc đẩy bằng sóng siêu âm cho thấy hiệu quả cao hơn, đẩy nhanh quá trình tái chế nhựa bằng enzym và tăng công suất xử lý.

Cách siêu âm công suất cao tăng cường quá trình tái chế PET bằng enzym

• Giúp tăng đáng kể diện tích bề mặt tiếp xúc của chất nền PET, khiến dạng bột có khả năng phản ứng với quá trình xúc tác sinh học cao hơn đáng kể so với dạng màng rắn.
• Giảm thiểu tác động ức chế của độ kết tinh của polymer, giúp PET có độ kết tinh thấp thủy phân với tốc độ nhanh hơn.
• Hoạt động như một tác nhân kích hoạt có mục tiêu, trong đó quá trình siêu âm ngắn ban đầu giúp tăng cường đáng kể sự giải phóng các monome như axit terephthalic (TA) và MHET.
• Tăng cường quá trình truyền khối và tiếp xúc bề mặt giữa enzym và polymer mà không cần phải thực hiện các bước tiền xử lý nhiệt hoặc hóa học khắc nghiệt.
• Giảm nhu cầu năng lượng tổng thể bằng cách giới hạn năng lượng siêu âm trong một giai đoạn kích hoạt ngắn thay vì trong điều kiện phản ứng liên tục.

Vượt qua các rào cản vật lý nhờ hiện tượng xâm thực âm thanh

Poly(ethylene terephthalate) (PET) có tính kháng tái chế sinh học đáng kể do trọng lượng phân tử cao, tính kỵ nước và cấu trúc bán tinh thể, những yếu tố này tự nhiên hạn chế sự thâm nhập của enzym và tiếp xúc xúc tác. Chiếu xạ siêu âm loại bỏ hiệu quả những hạn chế vật lý này bằng cách tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh, từ đó tạo ra sự trộn lẫn vi mô cục bộ, lực cắt cơ học và dao động nhiệt có kiểm soát tại giao diện polymer-dung môi. Năng lượng âm thanh này làm phồng ma trận polymer, phá vỡ các vùng tinh thể cứng và tăng đáng kể diện tích bề mặt có sẵn để gắn chất xúc tác sinh học. Bằng cách điều chỉnh vật lý chất nền trước hoặc trong giai đoạn thủy phân ban đầu, quá trình siêu âm trung hòa tác động tiêu cực của tính tinh thể và tạo ra một môi trường vi mô thuận lợi hơn cho quá trình phân giải enzym, từ đó thiết lập nền tảng hiệu quả cao cho quá trình khử polymer bền vững.

Kích hoạt hiệp đồng các chất xúc tác sinh học cutinase

Sự kết hợp giữa siêu âm công suất cao với các enzym cutinase, đặc biệt là Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1), đã chứng minh mối quan hệ hiệp đồng mạnh mẽ, giúp tối đa hóa hiệu suất xúc tác đồng thời duy trì tính toàn vẹn của enzym. Thay vì duy trì chiếu xạ siêu âm liên tục, việc áp dụng một giai đoạn kích hoạt ngắn 10 phút ngay khi bắt đầu quá trình thủy phân sẽ khởi động hệ thống, dẫn đến sự gia tăng đáng kể từ 5,2 đến 6,6 lần trong việc giải phóng các sản phẩm phân hủy như TA và MHET. Đợt năng lượng âm thanh ngắn này có khả năng cải thiện tính di động của enzyme, tăng cường độ ẩm bề mặt tiếp xúc và tạm thời điều chỉnh bề mặt polymer để tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết xúc tác mà không làm biến tính protein. Bằng cách tách nguồn năng lượng cao khỏi toàn bộ quá trình phản ứng, sự kết hợp giữa siêu âm và cutinase mang lại hiệu quả khử trùng hợp đáng kể, đồng thời duy trì sự ổn định của chất xúc tác sinh học và giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của quá trình.

Đặc điểm hình thái của chất nền và khả năng mở rộng quy trình

Sự thành công của quá trình tái chế PET bằng enzym kết hợp siêu âm bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hình dạng và dạng vật lý của chất nền, trong đó chất nền dạng bột luôn cho hiệu quả cao hơn so với màng liên tục. Các nghiên cứu chỉ ra rằng quá trình kích hoạt bằng siêu âm có hiệu quả gấp khoảng ba lần trên bột PET so với màng, chủ yếu do hình thái dạng hạt cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều và dễ tiếp cận hơn cho quá trình thủy phân enzym. Trong khi bột có độ kết tinh thấp (ví dụ: 8%) thể hiện quá trình phân hủy nhanh chóng và mạnh mẽ, ngay cả các chất nền có cấu trúc như màng PET có độ kết tinh 7% cũng cho thấy những lợi ích có thể đo lường được, chẳng hạn như sự cải thiện gấp 1,2 lần về lượng TA giải phóng trong thời gian phản ứng kéo dài 72 giờ. Những phụ thuộc về hình thái này nhấn mạnh sự cần thiết phải điều chỉnh các thông số siêu âm phù hợp với đặc tính của chất nền, chứng minh rằng việc sử dụng sóng siêu âm một cách chiến lược có thể kết nối hiệu quả quá trình tái chế enzym ở quy mô phòng thí nghiệm với việc tận dụng chất thải nhựa có thể mở rộng quy mô và khả thi về mặt công nghiệp.

Bộ xử lý siêu âm hiệu suất cao cho các phản ứng enzym

Hielscher Ultrasonics có kinh nghiệm lâu năm trong việc thiết kế, sản xuất và phân phối máy siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng điện trong phòng thí nghiệm và công nghiệp. Kiến thức và kinh nghiệm của chúng tôi trong quá trình xử lý siêu âm tinh vi là một phần của dịch vụ mà chúng tôi cung cấp cho khách hàng.
Chúng tôi hướng dẫn khách hàng từ tư vấn đầu tiên về kiểm tra tính khả thi và tối ưu hóa quy trình đến việc lắp đặt và vận hành hệ thống siêu âm cuối cùng của bạn.
Các thiết bị siêu âm có thể điều khiển chính xác của chúng tôi cho phép ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme, động học, tính chất nhiệt động lực học cũng như nhiệt độ xử lý.
Danh mục bộ xử lý siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy của chúng tôi bao gồm toàn bộ phạm vi từ thiết bị phòng thí nghiệm cầm tay nhỏ gọn đến bộ xử lý để bàn và công nghiệp hoàn toàn. Từ 200 watt trở lên, tất cả các thiết bị siêu âm đều được trang bị màn hình cảm ứng kỹ thuật số, phần mềm thông minh, điều khiển trình duyệt từ xa và giao thức dữ liệu tự động trên thẻ SD tích hợp. Chế độ chu kỳ siêu âm có thể điều chỉnh riêng (chế độ xung) cho phép thiết lập và kiểm soát mức độ tiếp xúc với enzyme (thời gian và thời gian nghỉ ngơi) với quá trình điều trị siêu âm. Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng và trong môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

Giới thiệu về tái chế nhựa enzym

Enzyme thủy phân phân nhánh lá cutinase (LLC) xuất hiện trong tự nhiên và cắt đứt liên kết giữa hai khối xây dựng của polyethylene terephthalate (PET), terephthalate và ethylene glycol. Tuy nhiên, hiệu quả tổng thể của enzyme và độ nhạy nhiệt của nó là những yếu tố hạn chế phản ứng, làm giảm đáng kể hiệu quả của quá trình. Enzyme cutinase ủ phân nhánh lá bắt đầu phân hủy ở 65°C, trong khi quá trình phân hủy PET yêu cầu nhiệt độ từ 72°C trở lên, nhiệt độ mà PET bắt đầu tan chảy. PET nóng chảy là yếu tố quá trình quan trọng vì sự nóng chảy cung cấp diện tích bề mặt cao hơn nơi enzyme có thể hoạt động.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế lại enzyme cutinase ủ cành lá tự nhiên và thay đổi axit amin tại các vị trí liên kết của nó. Điều này dẫn đến một enzyme đột biến cho thấy hoạt động tăng lên 10.000 lần trong việc phá vỡ liên kết PET (so với enzyme LLC tự nhiên) và độ ổn định nhiệt được cải thiện đáng kể. Điều này có nghĩa là enzyme đột biến mới không bị phân hủy ở 72°C, nhiệt độ mà PET bắt đầu tan chảy.
Phân tán siêu âm và kích hoạt bề mặt thúc đẩy phản ứng xúc tác do enzyme điều khiển. Các thông số siêu âm cụ thể như biên độ siêu âm, thời gian, nhiệt độ và áp suất có thể được điều chỉnh chính xác theo loại enzyme để tăng hoạt động xúc tác của nó. Các thông số xử lý siêu âm và ảnh hưởng của chúng đối với enzyme phụ thuộc vào loại enzyme cụ thể, thành phần axit amin và cấu trúc cấu hình. Qua đó, mỗi loại enzyme có các điều kiện quá trình tối ưu để đạt được sự kích hoạt enzyme tối ưu.

Phân tán siêu âm của enzyme và chất nền

Cắt và vi hỗn loạn được tạo ra bằng siêu âm nổi tiếng với hiệu quả cao khi nói đến các ứng dụng phân tán. Sự phân tán siêu âm của các tập hợp enzyme cũng như các kết tụ chất nền cải thiện hoạt động xúc tác enzym vì sự phân hủy của các tập hợp phân tử và kết tụ làm tăng diện tích bề mặt hoạt động giữa các enzym và chất nền để phản ứng.

Enzyme Cutinase được thúc đẩy bằng sóng siêu âm

Sonication đã cho thấy kết quả tốt trong việc kích hoạt enzyme utinase Thc_Cut1 liên quan đến hoạt động thủy phân PET của nó. Sự suy thoái enzyme tăng cường siêu âm của PET dẫn đến sự gia tăng 6,6 lần của các sản phẩm thoái hóa được giải phóng so với PET không được xử lý. Sự gia tăng tỷ lệ phần trăm tinh thể (28%) trong bột PET và màng dẫn đến năng suất thủy phân thấp hơn, có thể liên quan đến sự sẵn có của bề mặt thấp hơn. (xem Nikolaivits et al. 2018)