Polihydroksyalkaniany

Struktura poli-(R)-3-hydroksymaślanu ( P3HB ), polihydroksyalkanianu
Struktury chemiczne P3HB, PHV i ich kopolimeru PHBV

Polihydroksyalkaniany , czyli PHA, to poliestry wytwarzane w przyrodzie przez liczne mikroorganizmy, m.in. poprzez bakteryjną fermentację cukrów czy lipidów . Wytwarzane przez bakterie służą zarówno jako źródło energii, jak i magazyn węgla. ponad 150 różnych monomerów , uzyskując materiały o skrajnie różnych właściwościach. Tworzywa te ulegają biodegradacji i wykorzystywane są do produkcji bioplastików .

Mogą to być materiały termoplastyczne lub elastomerowe , o temperaturze topnienia w zakresie od 40 do 180 °C.

Właściwości mechaniczne i biokompatybilność PHA można również zmieniać poprzez mieszanie, modyfikację powierzchni lub łączenie PHA z innymi polimerami, enzymami i materiałami nieorganicznymi, co umożliwia szerszy zakres zastosowań.

Biosynteza

Do produkcji polihydroksyalkanianów można wykorzystać niektóre szczepy bakterii Bacillus subtilis

Aby indukować wytwarzanie PHA w warunkach laboratoryjnych, hodowlę mikroorganizmu, takiego jak Cupriavidus necator, można umieścić w odpowiedniej pożywce i karmić odpowiednimi składnikami odżywczymi, aby szybko się rozmnażała. Gdy populacja osiągnie znaczny poziom, można zmienić skład składników odżywczych, aby zmusić mikroorganizm do syntezy PHA. Wydajność PHA uzyskanego z inkluzji granulek wewnątrzkomórkowych może sięgać nawet 80% suchej masy organizmu.

Biosynteza PHA jest zwykle spowodowana pewnymi niedoborami (np. brakiem makroelementów, takich jak fosfor, azot, pierwiastki śladowe lub brak tlenu) i nadmierną podażą źródeł węgla. Jednak częstość wytwarzania PHA w monokulturze lub zestawie organizmów mieszanych może również po prostu zależeć od ogólnego ograniczenia składników odżywczych, a nie tylko makroelementów. Dzieje się tak zwłaszcza w przypadku metody cyklu „uczta/głód” mającej na celu indukcję wytwarzania PHA, w której węgiel jest okresowo dodawany i usuwany w celu wywołania głodu, co zachęca komórki do wytwarzania PHA podczas „uczty” jako metody przechowywania w okresach głodu. [ potrzebne źródło ]

Poliestry osadzają się w komórkach w postaci wysoce refrakcyjnych granulek. W zależności od mikroorganizmu i warunków hodowli powstają homo- lub kopoliestry z różnymi kwasami hydroksyalkanowymi. Następnie granulki PHA odzyskuje się poprzez rozbicie komórek. Rekombinowana Bacillus subtilis str. pBE2C1 i Bacillus subtilis str. pBE2C1AB wykorzystano do produkcji polihydroksyalkanianów (PHA) i wykazano, że mogą one wykorzystywać słodowe jako źródło węgla, co pozwala obniżyć koszty produkcji PHA.

Syntazy PHA są kluczowymi enzymami biosyntezy PHA. Jako substraty wykorzystują koenzym A – tioester (r)-hydroksykwasów tłuszczowych. Obie klasy syntaz PHA różnią się specyficznym zastosowaniem hydroksykwasów tłuszczowych o krótkiej i średniej długości łańcucha.

Powstały PHA jest dwojakiego rodzaju:

  • Poli (HA SCL) z hydroksykwasów tłuszczowych o krótkich łańcuchach, zawierających od trzech do pięciu atomów węgla, są syntetyzowane przez liczne bakterie, w tym Cupriavidus necator i Alcaligenes latus ( PHB ).
  • Poli (HA MCL) z hydroksykwasów tłuszczowych o średniej długości łańcucha zawierającego od sześciu do 14 atomów węgla można wytworzyć na przykład przez Pseudomonas putida .

Kilka bakterii, w tym Aeromonas hydrophila i Thiococcus pfennigii , syntetyzuje kopoliester z powyższych dwóch typów hydroksykwasów tłuszczowych lub przynajmniej posiada enzymy zdolne do częściowej syntezy.

Inną syntezę na jeszcze większą skalę można przeprowadzić przy pomocy organizmów glebowych. Z braku azotu i fosforu produkują kilogram PHA na trzy kilogramy cukru.

Najprostszą i najczęściej występującą formą PHA jest fermentacyjna produkcja poli-beta-hydroksymaślanu (poli-3-hydroksymaślanu, P3HB), który składa się z 1000 do 30000 monomerów hydroksykwasów tłuszczowych.

Produkcja przemysłowa

W przemysłowej produkcji PHA poliester jest ekstrahowany i oczyszczany z bakterii poprzez optymalizację warunków mikrobiologicznej fermentacji cukru , glukozy lub oleju roślinnego .

W latach 80-tych firma Imperial Chemical Industries opracowała poli(3-hydroksymaślan- co -3-hydroksywalerianian) otrzymywany w drodze fermentacji, który nazwano „Biopol”. Był sprzedawany pod nazwą „Biopol” i dystrybuowany w USA przez Monsanto , a później Metabolix .

Jako surowiec do fermentacji można stosować węglowodany, takie jak glukoza i sacharoza, ale także olej roślinny lub glicerynę z produkcji biodiesla. Naukowcy przemysłowi pracują nad metodami, za pomocą których zostaną opracowane rośliny transgeniczne, w których zachodzi ekspresja szlaków syntezy PHA z bakterii i w ten sposób wytwarzają PHA jako magazyn energii w ich tkankach. Veolia , Anoxkaldnes , pracuje nad opracowaniem metod produkcji PHA ze ścieków . i start-upy, Micromidas, Mango Materials, Full Cycle Bioplastics, Newlight i Paques Biomaterials .

PHA są przetwarzane głównie poprzez formowanie wtryskowe, wytłaczanie i wytłaczanie pęcherzykowe w folie i puste bryły.

Właściwości materiału

Polimery PHA są termoplastyczne, można je przetwarzać na konwencjonalnych urządzeniach przetwórczych i w zależności od składu są plastyczne i mniej lub bardziej elastyczne. Różnią się właściwościami w zależności od składu chemicznego (homo- lub kopoliester, zawiera hydroksykwasy tłuszczowe).

Są odporne na promieniowanie UV , w przeciwieństwie do innych bioplastików na bazie polimerów, takich jak kwas polimlekowy , częściowy ok. osiągają temperatury do 180°C i charakteryzują się niską przepuszczalnością wody. Krystaliczność może mieścić się w zakresie od kilku do 70% . Przetwarzalność, udarność i elastyczność poprawiają się wraz z wyższą zawartością walerianianu w materiale. PHA są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach halogenowanych, takich jak chloroform , dichlorometan lub dichloroetan .

PHB ma podobne właściwości materiałowe do polipropylenu (PP), ma dobrą odporność na wilgoć i właściwości barierowe dla aromatów. Kwas polihydroksymasłowy syntetyzowany z czystego PHB jest stosunkowo kruchy i sztywny. Kopolimery PHB, które mogą zawierać inne kwasy tłuszczowe, takie jak kwas beta-hydroksywalerianowy, mogą być elastyczne.

Aplikacje

  • Structure of poly-3-hydroxyvalerate (PHV)

    Struktura poli-3-hydroksywalerianianu (PHV)

  • Structure of poly-4-hydroxybutyrate (P4HB)

    Struktura poli-4-hydroksymaślanu (P4HB)

Ze względu na biodegradowalność i potencjał tworzenia biotworzyw o nowych właściwościach istnieje duże zainteresowanie opracowaniem zastosowania materiałów na bazie PHA. PHA wpisuje się w zieloną gospodarkę jako sposób na wytwarzanie tworzyw sztucznych z paliw niekopalnych. Ponadto prowadzone są aktywne badania nad biotransformacją „ upcyklingu ” odpadów z tworzyw sztucznych (np. politereftalanu etylenu i poliuretanu ) w PHA przy użyciu bakterii Pseudomonas putida .

Kopolimer PHA zwany PHBV (poli(3-hydroksymaślan-co-3-hydroksywalerianian)) jest mniej sztywny i twardszy i może być stosowany jako materiał opakowaniowy.

W czerwcu 2005 roku amerykańska firma Metabolix , Inc. otrzymała nagrodę Prezydenta USA Green Chemistry Challenge Award (w kategorii małych przedsiębiorstw) za opracowanie i komercjalizację opłacalnej metody wytwarzania PHA.

Istnieją potencjalne zastosowania PHA wytwarzane przez mikroorganizmy w przemyśle rolniczym, medycznym i farmaceutycznym, przede wszystkim ze względu na ich biodegradowalność.

Zastosowania stabilizacyjne i ortopedyczne obejmują szwy , elementy mocujące szwy, urządzenia do naprawy łąkotki , nity , gwoździe, zszywki, śruby (w tym śruby interferencyjne), płytki kostne i systemy płytek kostnych, siatki chirurgiczne, łatki naprawcze, zawiesia, łatki sercowo-naczyniowe, szpilki ortopedyczne (w tym materiał do augmentacji kostnej), bariery adhezyjne , stenty , urządzenia do sterowanej naprawy/regeneracji tkanek, urządzenia do naprawy chrząstki stawowej , prowadnice nerwów, urządzenia do naprawy ścięgien , ubytek przegrody międzyprzedsionkowej urządzenia naprawcze, plastry na osierdzie, środki spęczniające i wypełniające, zastawki żylne , rusztowania szpiku kostnego , urządzenia do regeneracji łąkotki, przeszczepy więzadeł i ścięgien, implanty komórkowe oczu, klatki ze spojeniem kręgosłupa, substytuty skóry, substytuty opony twardej , substytuty przeszczepów kostnych, kołki kostne, opatrunki i hemostaty .

Dalsza lektura

Źródło: „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Polyhydroksyalkanoates&oldid=1122734277 ”