Полигидроксиалканоаты - Polyhydroxyalkanoates

Структура поли- (R) -3-гидроксибутирата (P3HB ), а полигидроксиалканоат
Химическая структура P3HB, PHV и их сополимера PHBV

Полигидроксиалканоаты или же PHA находятся полиэфиры производятся в природе многочисленными микроорганизмами, в том числе через бактериальный ферментация из сахара или же липиды.[1] Вырабатываемые бактериями, они служат одновременно источником энергии и хранилищем углерода. Более 150 различных мономеры могут быть объединены в этом семействе для получения материалов с совершенно разными свойствами.[2] Эти пластмассы являются биоразлагаемыми и используются в производстве биопластик.[3]

Они могут быть либо термопласт или же эластомерный материалы, с точки плавления от 40 до 180 ° C.

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

Биосинтез

Определенные штаммы Bacillus subtilis бактерии могут быть использованы для производства полигидроксиалканоатов

Чтобы произвести PHA, культуру микроорганизма, такого как Cupriavidus necator помещают в подходящую среду и кормят соответствующими питательными веществами, чтобы он быстро размножался. Как только популяция достигает значительного уровня, изменяется состав питательных веществ, чтобы заставить микроорганизм синтезировать PHA. Выход PHA, 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 гомо- или сополиэфиры с различными гидроксиалкановыми кислотами. Затем гранулы PHA восстанавливаются путем разрушения клеток.[6] Рекомбинантный Bacillus subtilis ул. pBE2C1 и Bacillus subtilis ул. pBE2C1AB были использованы в производстве полигидроксиалканоатов (PHA), и было показано, что они могут использовать солод отходы в качестве источника углерода для снижения затрат на производство PHA.

PHA-синтазы - ключевые ферменты 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.

Несколько бактерий, 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 синтез, еще более крупномасштабный, 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-гидроксибутират (поли-3-гидроксибутират, P3HB), который состоит из от 1000 до 30000 мономеров гидрокси жирных кислот.

Промышленное производство

При промышленном производстве PHA полиэфир экстрагируется и очищается от бактерий путем оптимизации условий микробной ферментации сахар, глюкоза, или же растительное масло.

В 1980-х годах Imperial Chemical Industries развитый поли (3-гидроксибутират-co-3-гидроксивалерат) полученный путем ферментации, получивший название «Биопол». Он продавался под названием «Биопол» и распространялся в США компанией Monsanto и позже Метаболикс.[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 Veolia дочерняя компания Anoxkaldnes.[8] и стартапы, Micromidas[9] и материалы Mango.[10][11]

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

Свойства материала

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 химического состава (гомо- или сополиэфир, содержащий гидроксижирные кислоты).

Они есть УФ стабильна, в отличие от других биопластиков из таких полимеров, как полимолочная кислота, частичное ок. температуры до 180 ° С, и показывают низкую проницаемость воды. В кристалличность может лежать в диапазоне от нескольких до 70%. Технологичность, ударная вязкость и гибкость улучшаются с увеличением процента валерат в материале. PHA растворимы в галогенированных растворителях, таких как хлороформ, дихлорметан или же дихлорэтан.[13]

ПГБ по своим свойствам материала аналогичен полипропилен (ПП), обладает хорошей устойчивостью к влаге и ароматическими барьерными свойствами. 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

  • Структура поли-3-гидроксивалерата (PHV)

  • Структура поли-4-гидроксибутирата (P4HB)

Из-за своего биоразлагаемость и потенциал для создания биопластик с новыми свойствами существует большой интерес к развитию использования материалов на основе PHA. PHA вписывается в зеленая экономика как средство для создания пластмасс из источников неископаемого топлива. Кроме того, ведутся активные исследования биотрансформация "переработка пластиковых отходов (например, полиэтилентерефталат и полиуретан ) в PHA с помощью Pseudomonas putida бактерии.[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 г. американская компания (Metabolix, Inc.) получила американский Президентская награда за конкурс "Зеленая химия" (категория малого бизнеса) за их разработку и коммерциализацию экономичного метода производства PHA.

Есть потенциальные области применения PHA, продуцируемого микроорганизмами.[2] в сельскохозяйственном[15], медицинской и фармацевтической промышленности, прежде всего из-за их биоразлагаемости.

Фиксация и ортопедические аппликации включены швы, шовные застежки, мениск ремонт устройств, заклепки, гвозди, скобы, винты (включая интерференционные винты), костные пластины и системы костного покрытия, хирургическая сетка, ремонтные пластыри, стропы, сердечно-сосудистые пластыри, ортопедические штифты (включая материал для увеличения костной ткани), адгезионные барьеры, стенты, устройства для управляемой репарации / регенерации тканей, суставные хрящ устройства для ремонта, нервоводы, сухожилие ремонт устройств, дефект межпредсердной перегородки приспособления для ремонта, пластыри перикарда, наполнители и наполнители, вена клапаны, Костный мозг каркасы, устройства для регенерации менисков, связка и трансплантаты сухожилий, окуляр клеточные имплантаты, кейджи для спондилодеза, кожные заменители, дюраль заменители, заменители костного трансплантата, костные дюбели, повязки для ран и кровоостанавливающие средства.[16]

Рекомендации

  1. ^ Лу, Цзиннань; Таппель, Райан С .; Номура, Кристофер Т. (05.08.2009). «Мини-обзор: биосинтез поли (гидроксиалканоатов)». Полимерные обзоры. 49 (3): 226–248. Дои: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.[страница нужна ]
  3. ^ Бхубалан, Кесавен; Ли, Вин-Хин; Судеш, Кумар (2011-05-03), Домб, Авраам Дж .; Кумар, Нирадж; Эзра, Авива (ред.), «Полигидроксиалканоат», Биоразлагаемые полимеры в клиническом использовании и клинической разработке, John Wiley & Sons, Inc., стр. 247–315, Дои:10.1002 / 9781118015810.ch8, ISBN  978-1-118-01581-0
  4. ^ Майкл, Энн Джон (12 сентября 2004 г.). «Полигидроксиалканоаты для тканевой инженерии». Архивировано из оригинал 28 января 2007 г.
  5. ^ Kim, Y.B .; Ленц, Р. В. (2001). «Полиэфиры из микроорганизмов». Достижения в области биохимической инженерии / биотехнологии. 71: 51–79. Дои: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. Дои: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. Получено 10 июля 2012.
  8. ^ Себ Эгертон-Рид (9 сентября 2015 г.). «Новый способ изготовления пластика». Циркулировать. Получено 23 октября, 2015.
  9. ^ Мартин Ламоника (27 мая 2010 г.). «Микромидас тестирует технологию отстоя к пластику». CNET. Получено 23 октября, 2015.
  10. ^ Материалы Mango выбраны для награждения Phase II STTR NASA (10 августа 2017 г.) БиопластикЖурнал.com
  11. ^ Насколько мы близки к переосмыслению пластика? (18 декабря, 2019) Искатель
  12. ^ Катальди, П. (июль 2020 г.). «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. Дои:10.1021 / acsapm.0c00539. S2CID  218673849.
  13. ^ Жакель, Николя; 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. Дои:10.1002 / aic.11274.
  14. ^ «Домашняя страница - P4SB». www.p4sb.eu. Получено 2017-10-26.
  15. ^ Амелия, Тан Сует Мэй; Говиндасами, Шаруматий; Тамотран, Аруларасу Муталиар; Виннесвари, Севакумаран; Бхубалан, Кесавен (2019), Калия, Випин Чандра (ред.), «Применение PHA в сельском хозяйстве», Биотехнологическое применение полигидроксиалканоатов, Springer Singapore, 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. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2005.04.036. PMID  15946738.

дальнейшее чтение