Biodegradace a recyklace polyuretanových materiálů

1.

BIODEGRADACE A RECYKLACE
POLYURETANOVÝCH MATERIÁLŮ
Řešitel: Bc. Oleksandr Tohobitskyi
Vedoucí práce: doc. Ing. Martin Halecký, Ph.D.​
Konzultant: Ing. Jiří Mach

2.

Úvod
Polyuretan – syntetický polymer
použitý materiál: experimentální
polyuretanová pěna na bázi alifatického
polyesteru
použité mikroorganismy (izoláty):
plíseň PL_povrch, PL_subm
bakterie DEV_1, DEV_2
Schéma syntézy polyesterového typu polyuretanu tvořeného polyethylenadipátem

3.

Biodegradace
polyuretanu
chemická struktura polyuretanu
hydrofobní vlastnosti polyuretanu
abiotické faktory
kyslík, teplota, sluneční záření,
vlhkost a polutanty
biotické faktory
Schéma biodegradace polymerního materiálu
přítomné mikroorganismy / enzymy
esterázy
esterová
ureázy
(proteázy)
močovinová
uretanová
Schéma polyesterového polyuretanu tvořeného polyethylenadipátem

4.

Recyklace polyuretanových
materiálů
Recyklace polyuretanu
mechanická
Recyklace vstupních surovin pro výrobu PU
(dikarboxylové kyseliny, glykoly)
biologická (enzymatická)
chemická (pyrolýza, zplyňování, depolymerizace)

5.

Použité metody:
Měření BSK pomocí systému OxiTop
délka – 5 dní
inokulum – buněčná suspenze s výslednou
hodnotou OD (optická denzita) v kultivačním
médiu 0,1
kultivační médium: inokulum + BSM médium +
0,5 g kousků PU pěny o průměru 5 mm
Stanovení klíčových enzymových aktivit
fluorometrická metoda
excitace: 365 nm, emise: 465 nm
použité substráty:
MUFH – proteázová aktivita
MUFN – lipázová aktivita
MUFA – esterázová aktivita
Analýza enzymového profilu mikroorganismů pomocí
kitu API ZYM
stanovení 19 enzymových aktivit
Analýza nízkomolekulárních produktů pomocí HPLC
mobilní fáze - roztok H2SO4 (c = 0,009 mol·l-1)
kolona - Watrex 250x8 mm Polymer IEX H, 8 µm
detektor - RI detektor Watrex

6.

Naměřené hodnoty BSK u izolátů PL_povrch a PL_subm
v průběhu 5 dnů kultivace
poznámka: BSK – biologická spotřeba kyslíku

7.

Naměřené hodnoty BSK u izolátů DEV_1 a DEV_2
v průběhu 5 dnů kultivace
poznámka: BSK – biologická spotřeba kyslíku

8.

Výsledné hodnoty
µ a BSK5
PL_povrch
µ = 0,44 ± 0,02 h-1
PL_sumb
µ = 0,43 ± 0,01 h-1
DEV_1
µ = 0,40 ± 0,05 h-1
DEV_2
µ = 0,41 ± 0,06 h-1
poznámka: µ - specifická růstová rychlost
BSK5 – průměr posledních deseti hodnot biologické spotřeby kyslíku

9.

Enzymový profil
izolovaných
mikroorganismů
(kit API ZYM)

10.

Enzymový profil
izolovaných
mikroorganismů
(kit API ZYM)
poznámka:
pozitivní reakce je úměrná
množství hydrolyzovaného
substrátu:
+ 5 nanomolů,
++ 20 nanomolů,
+++ 40 nanomolů
Enzym
Alkalická fosfatáza
C4 esteráza
C8 esteráza lipáza
C14 lipáza
Leucin arylamidáza
Valin arylamidáza
Cystin arylamidáza
Trypsin
α-chymotrypsin
Kyselá fosfatáza
Naftol-AS-BIfosfohydroláza
α-galaktosidáza
β-galaktosidáza
β-glukuronidáza
α-glukosidáza
β-glukosidáza
N-acetyl-βDglukosaminidáza
α-mannosidáza
α-fukosidáza
DEV_1
DEV_2
PL_subm
PL_povrch
+
+
+
+
++
+
+
++
+
+++
+
+
+
+
++
++
+
+
+
++
+
+
+
+
+
+
+
+

11.

Enzymová aktivita na konci kultivace
(fluorimetrie)
poznámka:
kultivace bakterií – 4 dnů
kultivace plísní – 7 dnů

12.

Stanovené
produkty
degradace
(HPLC)
poznámka:
DEG – Diethylenglykol
BSK – biologická spotřeba
kyslíku

13.

Závěr
Izoláty „PL_povrch“ a „PL_subm“ měly hodnoty BSK5 téměř o jeden řád vyšší než „DEV_1“, „DEV_2“
Analýza pomocí kitu API ZYM odhalila, že všechny izoláty produkují enzymy ze třídy hydroláz
Izoláty „PL_povrch“ a „PL_subm“ disponovaly vysokými esterázovou a lipázovou aktivitami
Izoláty „DEV_1“, „DEV_2“ disponovaly vysokou esterázovou, ale nízkou lipázovou aktivitami
Stanovené koncentrace DEG v kultivačních médií koreluji s hodnotami BSK a v případě plísní byly téměř o
jeden řád vyšší než u bakterií
Z výsledku je patrné, že izoláty „PL_povrch“ a „PL_subm“ dokážou účinně využívat polyuretanový materiál
jako jediný zdroj uhlíku a energie. Tudíž jsou vhodnější pro produkci enzymů použitelných pro recyklaci
polyuretanových materiálů oproti izolátům „DEV_1“, „DEV_2“, což bude studováno v navazující práci

14.

DĚKUJI ZA POZORNOST