Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Структура поли- (R) -3-гидроксибутирата ( P3HB ), полигидроксиалканоата
Химическая структура P3HB, PHV и их сополимера PHBV

Полиоксиалканоаты или ПГА являются сложные полиэфиры , полученные в природе многочисленных микроорганизмов, в том числе путем бактериальной ферментации из сахара или липидов . [1] Вырабатываемые бактериями, они служат одновременно источником энергии и хранилищем углерода. В этом семействе можно комбинировать более 150 различных мономеров, чтобы получить материалы с совершенно разными свойствами. [2] Эти пластмассы являются биоразлагаемыми и используются в производстве биопластиков . [3]

Это могут быть термопластические или эластомерные материалы с температурой плавления от 40 до 180 ° C.

Механические свойства и биосовместимость PHA также можно изменить путем смешивания, модификации поверхности или объединения PHA с другими полимерами, ферментами и неорганическими материалами, что делает возможным более широкий спектр применений. [4]

Биосинтез [ править ]

Определенные штаммы бактерий Bacillus subtilis могут использоваться для производства полигидроксиалканоатов.

Для производства PHA культуру микроорганизма, такого как Cupriavidus necator , помещают в подходящую среду и кормят соответствующими питательными веществами, чтобы она быстро размножалась. Как только популяция достигает значительного уровня, состав питательных веществ изменяется, чтобы заставить микроорганизм синтезировать PHA. Выход ФГА, полученного из включений внутриклеточных гранул, может достигать 80% от сухой массы организма.

Биосинтез PHA обычно вызывается определенными условиями дефицита (например, недостатком макроэлементов, таких как фосфор, азот, микроэлементы или недостаток кислорода) и избыточным поступлением источников углерода. [5]

Полиэфиры откладываются в клетках в виде высокопреломляющих гранул. В зависимости от микроорганизма и условий культивирования образуются гомо- или сополиэфиры с различными гидроксиалкановыми кислотами. Затем гранулы PHA восстанавливаются путем разрушения клеток. [6] Рекомбинантный Bacillus subtilis str. pBE2C1 и Bacillus subtilis str. pBE2C1AB использовались в производстве полигидроксиалканоатов (PHA), и было показано, что они могут использовать солодовые отходы в качестве источника углерода для снижения затрат на производство PHA.

PHA-синтазы являются ключевыми ферментами биосинтеза PHA. В качестве субстратов они используют кофермент А - тиоэфир (r) -гидроксижирных кислот. Два класса PHA-синтаз различаются конкретным использованием гидроксижирных кислот с короткой или средней длиной цепи.

Результирующий PHA бывает двух типов:

  • Поли (HA SCL) из гидроксижирных кислот с короткой цепью, включающей от трех до пяти атомов углерода, синтезируется многочисленными бактериями, включая Cupriavidus necator и Alcaligenes latus ( PHB ).
  • Поли (HA MCL) из гидроксижирных кислот со средней длиной цепи, включающей от шести до 14 атомов углерода, может быть получен, например, с помощью Pseudomonas putida .

Некоторые бактерии, в том числе Aeromonas hydrophila и Thiococcus pfennigii , синтезируют сополиэфир из двух вышеуказанных типов гидроксижирных кислот или, по крайней мере, обладают ферментами, которые способны участвовать в этом синтезе.

Другой, еще более крупномасштабный синтез можно осуществить с помощью почвенных организмов. Из-за недостатка азота и фосфора они производят килограмм PHA на три килограмма сахара.

Самая простая и наиболее часто встречающаяся форма PHA - это ферментативное производство поли-бета-гидроксибутирата (поли-3-гидроксибутирата, P3HB), который состоит из от 1000 до 30000 мономеров гидроксижирных кислот.

Промышленное производство [ править ]

При промышленном производстве PHA полиэфир экстрагируется и очищается от бактерий путем оптимизации условий микробной ферментации сахара , глюкозы или растительного масла .

В 1980-х годах компания Imperial Chemical Industries разработала поли (3-гидроксибутират- со- 3-гидроксивалерат), полученный путем ферментации, который получил название «Биопол». Он продавался под названием «Биопол» и распространялся в США компанией Monsanto, а позже - компанией Metabolix . [7]

В качестве сырья для ферментации можно использовать углеводы, такие как глюкоза и сахароза, а также растительное масло или глицерин из производства биодизеля. Промышленные исследователи работают над методами, с помощью которых будут разработаны трансгенные культуры, которые экспрессируют пути синтеза PHA из бактерий и, таким образом, производят PHA в качестве накопителя энергии в своих тканях. Несколько компаний работают над разработкой методов производства PHA из сточных вод, в том числе дочерняя компания Veolia, Anoxkaldnes. [8] и стартапы, Micromidas [9] и Mango Materials. [10] [11]

ПГА перерабатываются в основном путем литья под давлением, экструзии и экструзии пузырьков в пленки и полые тела.

Свойства материала [ править ]

Полимеры ПГА термопластичны, могут обрабатываться на обычном технологическом оборудовании и, в зависимости от их состава, пластичны и более или менее эластичны. [12] Они различаются по своим свойствам в зависимости от их химического состава (гомо- или сополиэфир, содержащий гидроксижирные кислоты).

Они устойчивы к ультрафиолету , в отличие от других биопластиков из полимеров, таких как полимолочная кислота , частично ок. температурах до 180 ° C и показывает низкую проницаемость воды. Кристалличности может лежать в диапазоне от нескольких единиц до 70%. Технологичность, ударная вязкость и гибкость улучшаются с более высоким процентным содержанием валерата в материале. ПГА растворимы в галогенированных растворителях, таких как хлороформ , дихлорметан или дихлорэтан . [13]

ПГБ по своим свойствам материала аналогичен полипропилену (ПП), обладает хорошей устойчивостью к влаге и барьерными свойствами для запаха. Полигидроксимасляная кислота, полученная из чистого ПОБ, относительно хрупкая и жесткая. Сополимеры ПОБ, которые могут включать другие жирные кислоты, такие как бета-гидроксивалериановая кислота, могут быть эластичными.

Приложения [ править ]

  • Структура поли-3-гидроксивалерата (PHV)

  • Структура поли-4-гидроксибутирата (P4HB)

Из-за его способности к биологическому разложению и возможности создавать биопластики с новыми свойствами, существует большой интерес к развитию использования материалов на основе PHA. PHA подходит для « зеленой» экономики как средство создания пластмасс из источников неископаемого топлива. Кроме того, проводятся активные исследования по « вторичной переработке » биотрансформации пластиковых отходов (например, полиэтилентерефталата и полиуретана ) в ПГА с использованием бактерий Pseudomonas putida . [14]

Сополимер PHA, называемый PHBV (поли (3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат)), менее жесткий и более жесткий, и его можно использовать в качестве упаковочного материала.

В июне 2005 года американская компания (Metabolix, Inc.) получила президентскую премию US Presidential Green Chemistry Challenge (категория для малого бизнеса) за разработку и коммерциализацию экономичного метода производства PHA.

Существует потенциальное применение PHA, производимого микроорганизмами [2] в сельскохозяйственной, [15] медицинской и фармацевтической промышленности, в первую очередь из-за их способности к биоразложению.

Фиксация и ортопедия включают швы , шовные фиксаторы, устройства для ремонта мениска , заклепки , кнопки, скобы, винты (включая интерферирующие винты), костные пластины и системы костного покрытия, хирургические сетки, ремонтные пластыри, стропы, сердечно-сосудистые пластыри, ортопедические штифты (включая материал для увеличения костной ткани), адгезионные барьеры , стенты , устройства для управляемого восстановления / регенерации тканей, устройства для восстановления суставного хряща , нервные проводники, устройства для восстановления сухожилий, устройства для восстановления дефекта межпредсердной перегородки , перикардиальные пластыри, наполнители и наполнители, клапаны вен , костный мозгкаркасы, устройства для регенерации менисков, трансплантаты связок и сухожилий, имплантаты глазных клеток, клетки для слияния позвоночника, заменители кожи, заменители твердой мозговой оболочки, заменители костного трансплантата, костные дюбели, перевязочные материалы для ран и кровоостанавливающие средства . [16]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лу, Цзиннань; Таппель, Райан С .; Номура, Кристофер Т. (05.08.2009). «Миниобзор: биосинтез поли (гидроксиалканоатов)». Полимерные обзоры . 49 (3): 226–248. DOI : 10.1080 / 15583720903048243 . ISSN  1558-3724 . S2CID  96937618 .
  2. ^ а б Дои, Йошихару; Штейнбухель, Александр (2002). Биополимеры . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30225-3.[ требуется страница ]
  3. ^ Бхубалан, Кесавен; Ли, Вин-Хин; Судеш, Кумар (2011-05-03), Домб, Авраам Дж .; Кумар, Нирадж; Эзра, Aviva (ред.), "Полигидроксиалканоат", биоразлагаемые полимеры в клинической практике и клинического развития , John Wiley & Sons, Inc., стр 247-315,. DOI : 10.1002 / 9781118015810.ch8 , ISBN 978-1-118-01581-0
  4. ↑ Майкл, Энн Джон (12 сентября 2004 г.). «Полигидроксиалканоаты для тканевой инженерии» . Архивировано из оригинала 28 января 2007 года.
  5. ^ Ким, YB; Ленц, RW (2001). «Полиэфиры из микроорганизмов». Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии . 71 : 51–79. DOI : 10.1007 / 3-540-40021-4_2 . ISBN 978-3-540-41141-3. ISSN  0724-6145 . PMID  11217417 .
  6. ^ Жакель, Николас; Ло, Чи-Вэй; Вэй, Ю-Хун; Ву, Хо-Шинг; Ван, Шоу С. (2008). «Выделение и очистка бактериальных поли (3-гидроксиалканоатов)». Журнал биохимической инженерии . 39 (1): 15–27. DOI : 10.1016 / j.bej.2007.11.029 .
  7. ↑ Ева Рудник (3 января 2008 г.). Компостируемые полимерные материалы . Эльзевир. п. 21. ISBN 978-0-08-045371-2. Проверено 10 июля 2012 года .
  8. ↑ Себ Эгертон-Рид (9 сентября 2015 г.). «Новый способ изготовления пластика» . Распространять . Проверено 23 октября 2015 года .
  9. ^ Martin Lamonica (27 мая 2010). «Микромидас протестирует технологию отстоя к пластику» . CNET . Проверено 23 октября 2015 года .
  10. ^ Выбран Mango Материалы для присуждения Фазы II STTR NASA (10. авг 2017 г.) BioplasticsMagazine .com
  11. ^ Насколько мы близки к переосмыслению пластика? (18 декабря, 2019) Искатель
  12. ^ Катальди, P. (июль 2020). «Многофункциональные биокомпозиты на основе гибридов полигидроксиалканоата и графена / углеродного нановолокна для электрических и термических применений». Прикладные полимерные материалы ACS . 2 (8): 3525–3534. arXiv : 2005.08525 . DOI : 10.1021 / acsapm.0c00539 . S2CID 218673849 . 
  13. ^ Жакель, Николас; Ло, Чи-Вэй; Ву, Хо-Шинг; Вэй, Ю-Хун; Ван, Шоу С. (2007). «Растворимость полигидроксиалканоатов экспериментально и термодинамические корреляции». Журнал Айше . 53 (10): 2704–14. DOI : 10.1002 / aic.11274 .
  14. ^ "Домашняя страница - P4SB" . www.p4sb.eu . Проверено 26 октября 2017 .
  15. ↑ Амелия, Тан Сует Мэй; Говиндасами, Шаруматий; Тамотран, Аруларасу Муталиар; Виннесвари, Севакумаран; Bhubalan, Kesaven (2019), Калий, Vipin Chandra (ред.), "Применение ПГА в сельском хозяйстве", Биотехнологические Применение Полиоксиалканоаты , Springer Сингапур, стр 347-361,. Дои : 10.1007 / 978-981-13-3759- 8_13 , ISBN 978-981-13-3758-1
  16. ^ Чен, Го-Цян; У, Цюн (2005). «Применение полигидроксиалканоатов в качестве материалов для тканевой инженерии». Биоматериалы . 26 (33): 6565–78. DOI : 10.1016 / j.biomaterials.2005.04.036 . PMID 15946738 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Mohapatra, S .; Саркар, Б .; Самантарай, ДП; Daware, A .; Maity, S .; Pattnaik, S .; Бхаттачарджи, С. (2017). «Биоконверсия твердых рыбных отходов в ПОБ с использованием процесса глубокой ферментации на основе Bacillus subtilis». Экологические технологии . 38 (24): 1–8. DOI : 10.1080 / 09593330.2017.1291759 . PMID  28162048 . S2CID  1080507 .
  • Мохапатра, Свати; Маити, Судипта; Даш, Хирак Ранджан; Дас, Сураджит; Паттнаик, Свати; Рат, Чанди Чаран; Самантарай, Девапрасад (декабрь 2017 г.). « Бациллы и биополимер: перспективы и проблемы» . Отчеты по биохимии и биофизике . 12 : 206–13. DOI : 10.1016 / j.bbrep.2017.10.001 . PMC  5651552 . PMID  29090283 .