ИА Neftegaz.RU. Помимо полилактидов, перспективными разрушаемыми биопластиками являются полиэфиры алкановых кислот, так называемые
полигидроксиалканоаты (ПГА) - термопластичные разрушаемые линейные полиэфиры микробиологического происхождения (англоязычная аббревиатура - PHA).
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.
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.
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.
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.