По сравнению с полилактидами, ПГА имеют ряд весьма существенных преимуществ:
-
ПГА в отличие от ПМК, получают методом прямой ферментации, их производство не требует серии технологических этапов (синтез мономеров, полимеризация, добавление пластификаторов и модифицирующих компонентов) (рис. 5.8),
-
сырьем для синтеза ПГА могут быть сахара, органические кислоты, спирты, смеси СО2 и Н2, продукты гидролиза растительного сырья, промышленные отходы производства сахара, пальмового масла, водородсодержащие продукты переработки бурых углей и гидролизного лигнина,
-
ПГА - это семейство полимеров различной химической структуры, образованных мономерами с длиной С-цепи от С4 до С12 и выше, от высококристалличных термопластов до резиноподобных эластомеров,
-
свойствами ПГА (кристалличность, механическая прочность, температурные характеристики, скорости биораспада) можно управлять, варьируя в процессе ферментации состав среды и задавая ту или иную химическую структуру,
-
ПГА подвергаются переработке из различных фазовых состояний (порошки, растворы, гели, расплавы) общепринятыми методами,
-
ПГА не гидролизуются в жидких средах, так как деградация ПГА является истинной биологической и происходит клеточным и гуморальным путями, более того, скоростью деградации ПГА можно управлять.
Биотехнологический процесс получения полимеров этого класса заключается в культивировании штамма-продуцента в жидкой питательной среде при постоянной аэрации стерильным воздухом и перемешивании в специфическом режиме при избытке углеродного субстрата в среде и несбалансированном росте, когда процесс синтеза основных (азотсодержащих) клеточных макромолекул ограничен каким-либо компонентом субстрата.
В качестве продуцента используются штаммы бактерий различных таксономических групп, характеризующиеся способностью синтезировать полимеры различной химической структуры и позволяющие использовать разнообразные субстраты.
Важным технологическим свойством данного продуцента является возможность замены ростового субстрата без существенной замены технологического процесса и оборудования.
В качестве ростового субстрата могут использоваться: кристаллические сахара, гидролизаты растительных биомасс, органические кислоты, газовые смеси Н2 + СО2 + О2 (источником водорода может быть электролиз воды, при этом одновременно процесс обеспечивается кислородом, а источником углерода служит экспанзерная углекислота биохимических производств.
В России ведущим коллективом, разрабатывающим технологии синтеза ПГА на различных субстратах, является Институт биофизики СО РАН, в котором создано первое в РФ опытное производство этих полимеров, разработана и впервые в биотехнологической практике реализована технология синтеза ПГА на синтез-газе, получаемом из бурых углей КАТЭК, а также газификацией гидролизного лигнина.
С ПГА связаны большие надежды, так как помимо термопластичности аналогично полипропилену и полиэтилену, эти биопластики обладают антиоксидантными и оптическими свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и характеризуются высокой биосовместимостью.
Помимо полигидроксибутирата, перспективны сополимерные ПГА, которые в зависимости от набора и соотношения мономеров имеют различные базовые свойства (степень кристалличности, температуры плавления, пластичность, механическую прочность и др).
Интерес к ПГА растет с конца 80-х гг.
Это новый класс биоразрушаемых и биосовместимых полиэфиров, физико-химические свойства которых в зависимости от состава могут существенно варьировать.
Основные структуры полигидроксиалканоатов можно иллюстрировать следующим образом:
-
n = 1 R = водород - поли (3-гидроксипропионат),
-
R = метил - поли (3-гидроксибутират),
-
R = этил - поли (3-гидроксивалерат),
-
R = пропил - поли (3-гидроксигексаноат),
-
R = пентил - поли (3-гидроксиоктаноат),
-
R = нонил - поли (3-гидроксидодеканоат),
-
n = 2 R = водород - поли (4-гидроксибутират),
-
n = 3 R = водород - поли (5-гидроксивалерат).
Исходя из длины углеродной цепи гидроксикислот, образующих полимеры, полиоксиалканоаты подразделяют на 3 основные группы:
-
короткоцепочечные (short-chain-length, SCL), состоящие из кислот с длиной углеродной цепи от 3 до 5 углеродных атомов,
-
среднецепочечные (medium-chain-length, MCL), в составе которых от 6 до 14 атомов углерода,
-
длинноцепочечные (long-chain-length, LCL) с содержанием кислот С17 и С18.
Данное разделение полимеров на группы базируется на существующем представлении о субстратной специфичности ПГА-синтаз, акцептирующих определенные гидроксикислоты при строительстве полимерной цепи в процессе полимеризации.
Последовательность реакций биосинтеза ПГА следующая: на первом этапе происходит транспорт источника углерода, необходимого для синтеза полимеров, из внешней среды в клетку, который катализируется специфическими ферментными транспортными системами, локализованными в цитоплазматической мембране или расположенными диффузно внутри клетки.
Вторая фаза, включающая комплекс анаболических и катаболических реакций, конвертирует компоненты в гидроксиацил коэнзим-А, тиоэфир которого является субстратом для ПГА-синтазы.
На третьем этапе ПГА синтаза (ключевой фермент биосинтеза данных полимеров) использует тиоэфиры как субстраты и катализирует образование эфирных связей между ними при участии КоА.
Данное представление не допускает, что ПГА синтаза для образования полимеров также использует другие тиоэфиры гидроксикислот.
Вторая фаза очень существенна для процесса в целом, так как во время нее источник углерода конвертируется в субстраты, необходимые для синтеза ПГА.
Многие бактерии способны превращать КоА последовательно в ацетацетил КоА и далее - в D(-)-3-гидроксибутирил-КоА, дающий начало полигидро-ксибутирату.
Впервые ПГА были идентифицированы французским микробиологом Maurice Lemoigne в 1925 г. Lemoigne открыл полигидроксибутират (ПГБ), один из самых изученных в настоящее время.
Представитель семейства ПГА.
ПГБ - термопластик высокой кристаллизации.
Интерес к этому материалу появился в связи со следующим обстоятельством, - разразившийся осенью 1973 г. нефтяной кризис и последующий рост цен на нефть как не возобновляемого источника энергии и сырья привел стран-участниц OPEC, контролирующих рынок пластмасс, к пониманию необходимости поиска альтернативных нефтехимическому синтезу полиолефинов способов получения пластиков.
В 1976 г. в Великобритании концерн ICI первым развернул коммерческие исследования микробиологического процесса получения полигидрокси-бутирата на сахаросодержащих субстратах, извлекаемых из растительных биомасс.
Но не только возможность синтеза ПГБ из возобновляемого сырья стимулировала и поддерживала эти исследования.
Большой интерес вызвало сообщение о том, что бактериальный полигидроксибутират термопластичен аналогично полипропилену.
Выявленные другие свойства ПГБ - биоразрушаемость и биосовместимость, пьезоэлектрические свойства и возможность использования в качестве источника оптически активных молекул не только поддерживали, но и усиливали интерес ICI к бактериальному процессу получения полиоксибутирата, несмотря на то, что нефтяной кризис стал спадать.
В последующие годы интерес к изучению процесса биологического синтеза полиоксибутирата возрастал.
В последующие годы интерес к изучению процесса биологического синтеза полиоксибутирата возрастал.
Было установлено, что ПГБ синтезируется с различными выходами многих прокариотических микроорганизмов (к настоящему времени их насчитывается свыше 300) с использованием различных субстратов.
Однако для промышленного применения было выделено всего несколько высокопродуктивных и перспективных микроорганизмов, эффективно синтезирующих полиоксибутират с использованием ряда субстратов: сахаров, метанола, углеводородов, смесей водорода и углекислоты (водородокисляющие бактерии Alcaligenes eutrophus (недавно переименованные в Ralstonia eutropha), Alcaligenes latus, азотфиксаторы Azotobacter vinelandii, псевдомонады Pseudomonas oleovorans, метилотрофы Methylomonas, Methylobacterium organophilum.
Полигидроксибутират и другие ПГА ассоциируются в клеточной цитоплазме в виде включений (гранул), количество и размер которых зависит от валового содержания полимера в клетке (рис. 5.9).
Процесс синтеза и гранулообразования ПГА в клетках включает несколько этапов: растворимая ПГБ-полимераза (синтеза) взаимодействует с возрастающими концентрациями 3-оксибутирил-КоА в цитоплазме, приводя к праймингу фермента.
По мере роста длины цепи олигомеры далее формируются в мицеллы.
Мицеллоподобные частицы дают границу раздела фаз с полимеразой, расположенной внутри.
Фермент затем быстро продолжает ПОБ синтез, вытесняя большее количество ПГБ в возрастающую гранулу.
Авторами установлено также, что минимальные условия, необходимые для активации синтеза ПГБ, заключаются в наличии 3-гидоксибутирил-КоА как субстрата и ПГБ-полимеразы.
Деполимеразы, вызывающие деструкцию полимера, синтезируются микроорганизмами как внутриклеточно, так и внеклеточно.
Внутриклеточная деградация полимера исследована не так детально, как синтез и внеклеточная деградация полимера, хотя этот процесс может играть решающую роль для физиологии бактерий, продукции полимера в клетке, его качественного состава.
Гидролиз полимера осуществляется последовательно ферментами ПГА-деполимеразой, (Д)-оксибутират дегидрогеназой и ацетоацетил-КоА-синтазой (кетотиолазой).
Продуктом деградации ПОБ являются мономеры, димеры и короткоцепочечные полимеры Д(-)-3-оксибутирата в соотношении 80-85 %, 15-20 % и следовых количествах соответственно.
Димеры и мономеры Д(-)-3-оксибутирата, образованные на первом этапе деградации ПГБ, гидролизуются под действием димер-гидролаз (эстераз) до мономеров.
Мономеры 3-оксибутирата превращаются под действием НАД-зависимой оксибутиратдегидрогеназы в ацетоацетат.
Ацетоацетат вступает в трансферазную реакцию с сукцинил-КоА, катализируемую тиофоразой (ацетоацетат: сукцинил-КоА КоА-трансфераза), в результате которой образуется ацетоацетил-КоА.
Под действием кетотиолазы ацетоацетил-КоА превращается в ацетил-КоА, который поступает на энергетические и анаболические нужды клетки.
Чистый полигидроксибутират, однако, весьма хрупок и мало устойчив к растяжению.
Чистый полигидроксибутират, однако, весьма хрупок и мало устойчив к растяжению.
Недостаточные эластичность и термостабильность ПГБ затрудняют процессы его переработки, что ограничивает возможные области применения.
Однако после ПГБ был выделен полимер, свойства которого отличались от ранее изученного полигидроксибутирата.
Детальный хроматографический анализ показал присутствие в полимере, помимо доминирующей гидроксимасляной кислоты, гидроксивалериановой, гидроксигексановой кислот в качестве минорных компонентов.
Это был первый обнаруженный гетерополимерный ПГА.
Открытие способности микроорганизмов к синтезу гетерополимерных ПГА явилось сильным импульсом для расширения исследований данных биополимеров.
Было обнаружено, что присутствие гидроксивалерата в ПГА существенно влияет на характеристики полимера, снижая температуру плавления и кристалличность материала, делая его, по сравнению с полигидроксибутиратом, более эластичным, упругим и удобным для переработки.
Изменение соотношения мономеров в ПГА сопровождается существенными изменениями термомеханических и волоконных свойств материала.
После этого поиск микроорганизмов, способных синтезировать гетерополимерные ПГА, был широко развернут во многих странах.
После этого поиск микроорганизмов, способных синтезировать гетерополимерные ПГА, был широко развернут во многих странах.
Достаточно быстро было установлено, что ряд микроорганизмов в определенных условиях роста, помимо гомогенного полигидроксибутирата, способен синтезировать различные полигидроксиалканоаты, содержащие в качестве мономерных единиц сополимеры ПГБ и других гидроксипроизводных углеводородных кислот, - гидроксивалериановой, гидроксигексановой и т. д., до мономеров, состоящих из углеродных цепей различной длины, до С12.
К настоящему моменту описано свыше 100 различных ПГА, однако пока реально получаемые и исследуемые ПГА - это гомогенный полигидроксибутират и сополимеры гидроксибутирата и гидроксивалерата (ПГБ/ПГВ).
Выявлено, что ПГА различного химического состава обладают различной структурой и базовыми физико-химическими свойствами.
В Институте биофизики СО РАН синтезирован спектр ПГА различной химической структуры и показано, как при этом изменяются физико-химические свойства материала (табл. 5.3).
Линейная структура молекул ПГА придает им свойство термопластичности и изменения прочности (возрастание по направлению растяжения).
При нагревании молекулярные цепи в ПГА легко сдвигаются относительно друг друга, в результате этого материал размягчается и приобретает текучесть.
Данное технологическое свойство имеет большую коммерческую ценность, так как позволяет с использованием различных методов (прессования, экструзии и др.) получать из ПГА разнообразные изделия и материалы.
Следует отметить, что при переработке и прессовании широко используемых в настоящее время многих синтетических пластиков необходимы различные добавки (стабилизаторы, наполнители, красители и пр.).
Этого не требуется при переработке ПГА, которые по физико-механическим свойствам сходны с полипропиленом и полистерином, однако обладают лучшими газобарьерными свойствами (например, по отношению к кислороду) и большей устойчивостью к ультрафиолету, характеризуются также хорошей водостойкостью и теплоустойчивостью, при этом проницаемость водяного пара через них в 3 раза ниже по сравнению с полипропиленом.
Из ПГА возможно получение гибких пленок различной толщины, в том числе полупроницаемых мембран, нитей, нетканых материалов, различных объемных форм (рис. 5.10), а также гелей и клеев. 
Совокупность свойств, характерных для ПГА, делает их перспективными для применения в различных сферах:
- медицине,
- фармакологии,
- пищевой и косметической промышленности,
- сельском и коммунальном хозяйстве,
- радиоэлектронике.
Уже сейчас сферы применения ПГА - самые различные.
Предназначены они, в основном, для:
- изготовления упаковочного материала и тары для бытовых отходов,
- пищевой промышленности,
- косметологии,
- сельского хозяйства.
