Polyhydroxyalkanoáty - Polyhydroxyalkanoates

Struktura poly- (R) -3-hydroxybutyrátu (P3HB ), a polyhydroxyalkanoát
Chemické struktury P3HB, PHV a jejich kopolymeru PHBV

Polyhydroxyalkanoáty nebo PHA jsou polyestery produkované v přírodě řadou mikroorganismů, včetně bakteriální kvašení z cukry nebo lipidy.[1] Pokud jsou produkovány bakteriemi, slouží jako zdroj energie i jako zásobárna uhlíku. Více než 150 různých monomery lze v rámci této rodiny kombinovat a získat materiály s extrémně odlišnými vlastnostmi.[2] Tyto plasty jsou biologicky odbouratelné a používají se při výrobě bioplasty.[3]

Mohou být buď termoplast nebo elastomerní materiály, s body tání v rozmezí od 40 do 180 ° C.

Mechanické vlastnosti a biokompatibilita PHA lze také změnit smícháním, úpravou povrchu nebo kombinací PHA s jinými polymery, enzymy a anorganickými materiály, což umožňuje širší škálu aplikací.[4]

Biosyntéza

Některé kmeny Bacillus subtilis bakterie mohou být použity k výrobě polyhydroxyalkanoátů

K výrobě PHA, kultury mikroorganismu, jako je Cupriavidus necator se umístí do vhodného média a přivádí se vhodné živiny tak, aby se rychle množilo. Jakmile populace dosáhne podstatné úrovně, změní se složení živin, aby mikroorganismus přinutil syntetizovat PHA. Výtěžek PHA získaného z inkluzí intracelulárních granulí může být až 80% suché hmotnosti organismu.

Biosyntéza PHA je obvykle způsobena určitými podmínkami nedostatku (např. Nedostatek makroprvků, jako je fosfor, dusík, stopové prvky nebo nedostatek kyslíku) a nadměrný přísun zdrojů uhlíku.[5]

Polyestery se v buňkách ukládají ve formě vysoce refrakčních granulí. V závislosti na mikroorganismu a podmínkách kultivace, homo- nebo kopolyestery s různými hydroxyalkanovými kyselinami. Granule PHA se poté izolují rozrušením buněk.[6] Rekombinantní Bacillus subtilis str. pBE2C1 a Bacillus subtilis str. pBE2C1AB byly použity při výrobě polyhydroxyalkanoátů (PHA) a bylo prokázáno, že mohou slad odpad jako zdroj uhlíku pro nižší náklady na výrobu PHA.

PHA syntázy jsou klíčové enzymy biosyntézy PHA. Jako substráty používají koenzym A - thioester (r) -hydroxymastných kyselin. Dvě třídy PHA syntáz se liší v konkrétním použití hydroxy mastných kyselin s krátkým nebo středním řetězcem.

Výsledný PHA je dvou typů:

  • Poly (HA SCL) z hydroxy mastných kyselin s krátkými řetězci, včetně tří až pěti atomů uhlíku, je syntetizován mnoha bakteriemi, včetně Cupriavidus necator a Alcaligenes latus (PHB ).
  • Poly (HA MCL) z hydroxy mastných kyselin se středně dlouhými řetězci obsahujícími šest až 14 atomů uhlíku lze vyrobit například Pseudomonas putida.

Několik bakterií, včetně Aeromonas hydrophila a Thiococcus pfennigii, Syntetizují kopolyester z výše uvedených dvou typů hydroxy mastných kyselin nebo alespoň obsahují enzymy, které jsou schopné této syntézy.

Další, ještě větší syntézu lze provést pomocí půdních organismů. Pro nedostatek dusíku a fosforu produkují kilogram PHA na tři kilogramy cukru.

Nejjednodušší a nejčastěji se vyskytující formou PHA je fermentační produkce poly-beta-hydroxybutyrát (poly-3-hydroxybutyrát, P3HB), který se skládá z 1000 až 30000 monomerů hydroxymastných kyselin.

Průmyslová produkce

V průmyslové výrobě PHA se polyester extrahuje a čistí z bakterií optimalizací podmínek mikrobiální fermentace cukr, glukóza nebo rostlinný olej.

V 80. letech Imperial Chemical Industries rozvinutý poly (3-hydroxybutyrát-co-3-hydroxyvalerát) získaný fermentací s názvem „Biopol“. Byl prodáván pod názvem „Biopol“ a distribuován v USA společností Monsanto a později Metabolix.[7]

Jako surovinu pro fermentaci lze použít sacharidy, jako je glukóza a sacharóza, ale také rostlinný olej nebo glycerin z výroby bionafty. Vědci v průmyslu pracují na metodách, s nimiž budou vyvinuty transgenní plodiny, které exprimují cesty syntézy PHA z bakterií a produkují PHA jako skladování energie v jejich tkáních. Několik společností pracuje na vývoji metod výroby PHA z odpadních vod, včetně Veolia dceřiná společnost Anoxkaldnes.[8] a start-upy, Micromidas[9] a mangové materiály.[10][11]

PHA se zpracovávají hlavně vstřikováním, vytlačováním a vytlačováním bublin do filmů a dutých těles.

Vlastnosti materiálu

Polymery PHA jsou termoplastické, lze je zpracovávat na konvenčních zpracovatelských zařízeních a jsou podle svého složení tvárné a víceméně elastické.[12] Liší se svými vlastnostmi podle svého chemického složení (homo- nebo kopolyester, obsahující hydroxymastné kyseliny).

Oni jsou UV stabilní, na rozdíl od jiných bioplastů z polymerů, jako jsou kyselina polymléčná, částečně ca. teploty až 180 ° Ca vykazují nízkou permeaci vody. The krystalinita může ležet v rozmezí několika až 70%. Zpracovatelnost, rázová houževnatost a flexibilita se zvyšuje s vyšším procentem valerovat v materiálu. PHA jsou rozpustné v halogenovaných rozpouštědlech chloroform, dichlormethan nebo dichlorethan.[13]

PHB je svými materiálovými vlastnostmi podobný polypropylen (PP), má dobrou odolnost proti vlhkosti a aroma bariérové ​​vlastnosti. Kyselina polyhydroxymaslová syntetizovaná z čistého PHB je relativně křehká a tuhá. Kopolymery PHB, které mohou zahrnovat další mastné kyseliny, jako je kyselina beta-hydroxyvalerová, mohou být elastické.

Aplikace

  • Struktura poly-3-hydroxyvalerátu (PHV)

  • Struktura poly-4-hydroxybutyrátu (P4HB)

Kvůli jeho biologická rozložitelnost a potenciál tvořit bioplasty s novými vlastnostmi existuje velký zájem vyvinout použití materiálů na bázi PHA. PHA zapadá do zelená ekonomika jako prostředek k výrobě plastů z nefosilních paliv. Dále probíhá aktivní výzkum pro biotransformace "upcyklace „plastového odpadu (např. polyethylentereftalát a polyuretan ) do PHA pomocí Pseudomonas putida bakterie.[14]

Volal kopolymer PHA PHBV (poly (3-hydroxybutyrát-ko-3-hydroxyvalerát)) je méně tuhý a tvrdší a lze jej použít jako obalový materiál.

V červnu 2005 obdržela americká společnost (Metabolix, Inc.) USA Cena Presidential Green Chemistry Challenge Award (kategorie malých podniků) za jejich vývoj a komercializaci nákladově efektivní metody výroby PHA.

Existují potenciální aplikace pro PHA produkované mikroorganismy[2] v zemědělství[15], lékařský a farmaceutický průmysl, především kvůli jejich biologické rozložitelnosti.

Zahrnuty jsou fixační a ortopedické aplikace stehy, spojovací materiál k šití, meniskus opravná zařízení, nýty, cvočky, svorky, šrouby (včetně interferenčních šroubů), kostní dlahy a systémy pro pokovování kostí, chirurgická síťka, opravné náplasti, smyčky, kardiovaskulární náplasti, ortopedické kolíky (včetně materiálu pro augmentaci kostní tkáně), adhezní bariéry, stenty, zařízení pro opravu / regeneraci tkáně s průvodcem, kloubní chrupavka opravná zařízení, nervová vedení, šlacha opravná zařízení, defekt síňového septa opravná zařízení, perikardiální náplasti, objemová a plnící činidla, žíla ventily, kostní dřeň lešení, zařízení pro regeneraci menisku, vaz a šlachové štěpy, oční buněčné implantáty, spinální fúzní klece, náhražky kůže, dural náhražky, náhražky kostních štěpů, kostní hmoždinky, obvazy na rány a hemostaty.[16]

Reference

  1. ^ Lu, Jingnan; Tappel, Ryan C .; Nomura, Christopher T. (08.08.2009). „Mini-Review: Biosynthesis of Poly (hydroxyalkanoates)“. Recenze polymerů. 49 (3): 226–248. doi:10.1080/15583720903048243. ISSN  1558-3724. S2CID  96937618.
  2. ^ A b Doi, Yoshiharu; Steinbuchel, Alexander (2002). Biopolymery. Weinheim, Německo: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-30225-3.[stránka potřebná ]
  3. ^ Bhubalan, Kesaven; Lee, Wing-Hin; Sudesh, Kumar (2011-05-03), Domb, Abraham J .; Kumar, Neeraj; Ezra, Aviva (eds.), "Polyhydroxyalkanoát", Biologicky odbouratelné polymery v klinickém použití a klinickém vývoji, John Wiley & Sons, Inc., str. 247–315, doi:10.1002 / 9781118015810.ch8, ISBN  978-1-118-01581-0
  4. ^ Michael, Anne John (12. září 2004). "Polyhydroxyalkanoáty pro tkáňové inženýrství". Archivovány od originál 28. ledna 2007.
  5. ^ Kim, Y. B .; Lenz, R. W. (2001). "Polyestery z mikroorganismů". Pokroky v biochemickém inženýrství / biotechnologii. 71: 51–79. doi:10.1007/3-540-40021-4_2. ISBN  978-3-540-41141-3. ISSN  0724-6145. PMID  11217417.
  6. ^ Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wei, Yu-Hong; Wu, Ho-Shing; Wang, Shaw S. (2008). "Izolace a čištění bakteriálních poly (3-hydroxyalkanoátů)". Biochemical Engineering Journal. 39 (1): 15–27. doi:10.1016 / j.bej.2007.11.029.
  7. ^ Ewa Rudnik (3. ledna 2008). Kompostovatelné polymerní materiály. Elsevier. p. 21. ISBN  978-0-08-045371-2. Citováno 10. července 2012.
  8. ^ Seb Egerton-Read (9. září 2015). „Nový způsob výroby plastů“. Obíhat. Citováno 23. října 2015.
  9. ^ Martin Lamonica (27. května 2010). „Micromidas testuje technologii kalů na plasty“. CNET. Citováno 23. října 2015.
  10. ^ Materiály Mango vybrány pro ocenění Fáze II STTR NASA (10. srpna 2017) Časopis Bioplastics.com
  11. ^ Jak blízko jsme znovuobjevení plastů? (18. prosince 2019) Hledač
  12. ^ Cataldi, P. (červenec 2020). „Multifunkční biokompozity založené na polyhydroxyalkanoátu a hybridech grafenu / uhlíkových nanovláken pro elektrické a tepelné aplikace“. ACS aplikované polymerní materiály. 2 (8): 3525–3534. arXiv:2005.08525. doi:10.1021 / acsapm.0c00539. S2CID  218673849.
  13. ^ Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wu, Ho-Shing; Wei, Yu-Hong; Wang, Shaw S. (2007). "Rozpustnost polyhydroxyalkanoátů experimentem a termodynamické korelace". AIChE Journal. 53 (10): 2704–14. doi:10.1002 / aic.11274.
  14. ^ „Domovská stránka - P4SB“. www.p4sb.eu. Citováno 2017-10-26.
  15. ^ Amelia, Tan Suet May; Govindasamy, Sharumathiy; Tamothran, Arularasu Muthaliar; Vigneswari, Sevakumaran; Bhubalan, Kesaven (2019), Kalia, Vipin Chandra (ed.), „Applications of PHA in Agriculture“, Biotechnologické aplikace polyhydroxyalkanoátů, Springer Singapore, str. 347–361, doi:10.1007/978-981-13-3759-8_13, ISBN  978-981-13-3758-1
  16. ^ Chen, Guo-Qiang; Wu, Qiong (2005). "Aplikace polyhydroxyalkanoátů jako materiálů tkáňového inženýrství". Biomateriály. 26 (33): 6565–78. doi:10.1016 / j.biomaterials.2005.04.036. PMID  15946738.

Další čtení