Полигидроксиалканоаты

Структура поли-(R)-3-гидроксибутирата ( P3HB ), **полигидроксиалканоата.**

Химическая структура P3HB, PHV и их сополимера PHBV.

Полигидроксиалканоаты или PHA представляют собой полиэфиры, в природе многочисленными микроорганизмами, в том числе посредством бактериальной ферментации сахаров вырабатываемые или липидов . ^[1] Когда они производятся бактериями, они служат одновременно источником энергии и хранилищем углерода. более 150 различных мономеров , чтобы получить материалы с совершенно разными свойствами. В этом семействе можно объединить ^[2] Эти пластмассы биоразлагаемы и используются в производстве биопластиков . ^[3]

Они могут быть термопластичными или эластомерными материалами. ^{[ нужна ссылка ]} с температурой плавления от 40 до 180 °С. ^{[ нужна ссылка ]}

Механические свойства и биосовместимость ПОА также можно изменить путем смешивания, модификации поверхности или комбинирования ПОА с другими полимерами, ферментами и неорганическими материалами, что открывает возможности для более широкого спектра применений. ^[4]

Биосинтез

Чтобы стимулировать выработку ФГА в лабораторных условиях, культуру микроорганизма, такого как Cupriavidus necator, можно поместить в подходящую среду и кормить соответствующими питательными веществами, чтобы она быстро размножалась. Как только популяция достигнет значительного уровня, состав питательных веществ можно изменить, чтобы заставить микроорганизм синтезировать ФГА. Выход ПГА, полученного из внутриклеточных гранулярных включений, может достигать 80% от сухой массы организма. ^{[ нужна ссылка ]}

Биосинтез ПГА обычно вызван условиями дефицита (например, недостатком макроэлементов, таких как фосфор, азот, микроэлементы или недостаток кислорода) и избыточным поступлением источников углерода. ^[5] Однако преобладание продукции ФГА в монокультуре или в наборе смешанных микробных организмов также может зависеть от общего ограничения питательных веществ, а не только от макроэлементов. Это особенно актуально в методе цикла «пир/голод» для индукции производства PHA, при котором углерод периодически добавляется и истощается, вызывая голод, что побуждает клетки производить PHA во время «пира» в качестве метода хранения на периоды голода. ^{[ нужна ссылка ]}

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

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

Получаемый PHA бывает двух типов:

Поли (HA SCL) из гидроксижирных кислот с короткими цепями, включающими от трех до пяти атомов углерода, синтезируются 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, Pseudomonas putida .

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

Другой, еще более масштабный синтез можно осуществить с помощью почвенных организмов. Из-за нехватки азота и фосфора на три килограмма сахара получается килограмм ПГА.

Самой простой и наиболее часто встречающейся формой ПОА является ферментативное производство поли-бета-гидроксибутирата [поли(3-гидроксибутират), P(3HB)], который состоит из от 1000 до 30000 мономеров гидроксижирных кислот.

Промышленное производство

При промышленном производстве ПГА полиэфир экстрагируют и очищают от бактерий путем оптимизации условий микробной ферментации сахара , глюкозы или растительного масла .

В 1980-х годах компания Imperial Chemical Industries разработала поли(3-гидроксибутират- ко -3-гидроксивалерат), полученный путем ферментации, который получил название «Биопол». Он продавался под названием «Биопол» и распространялся в США компаниями «Монсанто» , а затем «Метаболикс» . ^[7]

В качестве сырья для ферментации можно использовать углеводы, такие как глюкоза и сахароза, а также растительное масло или глицерин, получаемый при производстве биодизеля. Промышленные исследователи работают над методами разработки трансгенных культур, которые будут экспрессировать пути синтеза PHA из бактерий и, таким образом, производить PHA в качестве хранилища энергии в своих тканях. Несколько компаний работают над разработкой методов производства ПГА из сточных вод, в том числе дочерняя компания Veolia Anoxkaldnes. ^[8] и стартапы, Микромидас, ^[9] Материалы манго, ^[10]^[11] Биопластики полного цикла, ^[12] Биоматериалы Ньюлайт и Пакес . ^[13]^[14]

ПГА перерабатываются в основном посредством литья под давлением, экструзии и экструзии пузырьков в пленки и полые изделия.

Свойства материала

Полимеры ПГА термопластичны, могут перерабатываться на обычном технологическом оборудовании, в зависимости от состава пластичны и более или менее эластичны. ^[15] Они различаются по своим свойствам в зависимости от химического состава (гомо- или сополиэфир, содержащие гидроксижирные кислоты).

Они устойчивы к ультрафиолетовому излучению , в отличие от других биопластиков из полимеров, таких как полимолочная кислота , частично ок. температуры до 180 °C и демонстрируют низкую водопроницаемость. Кристалличность может лежать в диапазоне от нескольких до 70%. Технологичность, ударная вязкость и гибкость улучшаются при повышении процентного содержания валерата в материале. PHA растворимы в галогенсодержащих растворителях, таких как хлороформ , дихлорметан или дихлорэтан . ^[16]

По своим свойствам материал ПГБ аналогичен полипропилену (ПП), обладает хорошей влагостойкостью и аромабарьерными свойствами. Полиоксимасляная кислота, синтезированная 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 (ПХВ)
Структура поли-4-гидроксибутирата (P4HB)

Из-за его биоразлагаемости и возможности создания биопластиков с новыми свойствами существует большой интерес к развитию использования материалов на основе ПГА. PHA вписывается в «зеленую» экономику как средство создания пластмасс из источников неископаемого топлива. Кроме того, проводятся активные исследования по биотрансформации « переработке » пластиковых отходов (например, полиэтилентерефталата и полиуретана ) в ПГА с использованием Pseudomonas putida . бактерий ^[17]

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

В июне 2005 года американская компания Metabolix , Inc. получила награду Президента США за зеленую химию (категория малого бизнеса) за разработку и коммерциализацию экономически эффективного метода производства ПОА. ^[18]

Существуют потенциальные применения ПГА, производимого микроорганизмами. ^[2] в сельском хозяйстве, ^[19] медицинской и фармацевтической промышленности, прежде всего из-за их биоразлагаемости.

Фиксационные и ортопедические применения включают шовный материал , шовный крепеж, мениска устройства для восстановления , заклепки , кнопки, скобы, винты (включая интерференционные винты), костные пластины и системы костных пластин, хирургическую сетку, ремонтные заплаты, стропы, сердечно-сосудистые заплаты, ортопедические штифты (включая материал для наращивания кости), адгезионные барьеры , стенты , устройства для направленного восстановления/регенерации тканей, устройства для восстановления суставного хряща , нервные проводники, устройства для восстановления сухожилий , устройства для восстановления дефекта межпредсердной перегородки , пластыри для перикарда, наполнители и наполнители, венозные клапаны, костный мозг каркасы, устройства для регенерации мениска, трансплантаты связок и сухожилий, глазные клеточные имплантаты, клетки для спондилодеза, заменители кожи, заменители твердой мозговой оболочки, заменители костного трансплантата, костные штифты, повязки на раны и кровоостанавливающие средства . ^[20]

Ссылки

^ Лу, Цзиннань; Таппель, Райан С.; Номура, Кристофер Т. (5 августа 2009 г.). «Мини-обзор: Биосинтез поли(гидроксиалканоатов)». Обзоры полимеров . 49 (3): 226–248. дои : 10.1080/15583720903048243 . ISSN 1558-3724 . S2CID 96937618 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Дои, Ёсихару; Штайнбухель, Александр (2002). Биополимеры . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30225-3 . ^{[ нужна страница ]}
^ Бхубалан, Кесавен; Ли, Вин-Хин; Судеш, Кумар (03 мая 2011 г.), Домб, Авраам Дж.; Кумар, Нирадж; Эзра, Авива (ред.), «Полигидроксиалканоат», « Биоразлагаемые полимеры в клиническом использовании и клинических разработках» , John Wiley & Sons, Inc., стр. 247–315, doi : 10.1002/9781118015810.ch8 , ISBN 978-1-118-01581-0
^ Майкл, Энн Джон (12 сентября 2004 г.). «Полигидроксиалканоаты для тканевой инженерии» . Архивировано из оригинала 28 января 2007 года.
^ Ким, Ю.Б.; Ленц, RW (2001). «Полиэфиры от 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 . ПМИД 11217417 .
^ Жакель, Николя; Ло, Чи-Вэй; Вэй, Ю-Хонг; 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 .
^ Ева Рудник (3 января 2008 г.). Компостируемые полимерные материалы . Эльзевир. п. 21. ISBN 978-0-08-045371-2 . Проверено 10 июля 2012 г.
^ Себ Эгертон-Рид (9 сентября 2015 г.). «Новый способ изготовления пластика» . Распространять . Проверено 23 октября 2015 г.
^ Мартин Ламоника (27 мая 2010 г.). «Микромидас протестирует технологию превращения осадка в пластик» . CNET . Проверено 23 октября 2015 г.
^ Материалы манго выбраны для премии Фазы II STTR НАСА (10 августа 2017 г.) Bi PlasticsMagazine .com
^ Насколько мы близки к новому изобретению пластика? (18 декабря 2019 г.) Искатель
^ «Биопластики полного цикла превращают бактериальные отходы в «природный пластик» » . 11 июля 2019 г.
^ «Сайт биоматериалов Пакеса» .
^ Провинция Дренте (2022 г.). «Paques Biomaterials инвестирует 58 миллионов долларов в демонстрационную установку и завод в Эммене» .
^ Катальди, П. (июль 2020 г.). «Многофункциональные биокомпозиты на основе полигидроксиалканоата и гибридов графена и 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 .
^ Жакель, Николя; Ло, Чи-Вэй; Ву, Хо-Шинг; Вэй, Ю-Хонг; Ван, Шоу С. (2007). «Растворимость полигидроксиалканоатов экспериментально и термодинамические корреляции» . Журнал Айше . 53 (10): 2704–14. дои : 10.1002/aic.11274 .
^ «Домашняя страница — P4SB» . www.p4sb.eu. Проверено 26 октября 2017 г.
^ «Президентская программа награждения за зеленую химию» (PDF) . Президентская программа наград «За зеленую химию»: сводка заявок и получателей наград за 2005 год . Агентство по охране окружающей среды: 8. 2005 г. Архивировано из оригинала (PDF) 8 июля 2012 г.
^ Амелия, Тан Сует Мэй; Говиндасами, Шаруматий; Тамотран, Аруларасу Муталиар; Виньесвари, Севакумаран; Бхубалан, Кесавен (2019), Калия, Випин Чандра (редактор), «Применение ПОА в сельском хозяйстве», Биотехнологическое применение полигидроксиалканоатов , Springer Singapore, стр. 347–361, doi : 10.1007/978-981-13-3759- 8_13 , ISBN 978-981-13-3758-1 , S2CID 139827723
^ Чен, Го-Цян; Ву, Цюн (2005). «Применение полигидроксиалканоатов в качестве материалов тканеинженерной деятельности». Биоматериалы . 26 (33): 6565–78. doi : 10.1016/j.bimaterials.2005.04.036 . ПМИД 15946738 .

Дальнейшее чтение

Мохапатра, С.; Саркар, Б.; Самантарай, ДП; Давер, А.; Майти, С.; Паттнаик, С.; Бхаттачарджи, С. (2017). «Биоконверсия твердых рыбных отходов в ПГБ с использованием процесса глубинной ферментации на основе Bacillus subtilis». Экологические технологии . 38 (24): 1–8. дои : 10.1080/09593330.2017.1291759 . ПМИД 28162048 . S2CID 1080507 .
Мохапатра, Свати; Майти, Судипта; Даш, Хирак Ранджан; Дас, Сураджит; Паттнаик, Свати; Рат, Чанди Чаран; Самантарай, Девипрасад (декабрь 2017 г.). « Бацилла и биополимер: перспективы и проблемы» . Отчеты по биохимии и биофизике . 12 : 206–13. дои : 10.1016/j.bbrep.2017.10.001 . ПМК 5651552 . ПМИД 29090283 .
Адхитья Санкар Сантош; Мридул Умеш (декабрь 2020 г.). «Стратегический обзор использования полигидроксиалканоатов в качестве иммуностимулятора в аквакультуре» . Прикладная пищевая биотехнология , Vol. 8 № 1 (2021), 14 декабря 2020 г., стр. 1–18. https://doi.org/10.22037/afb.v8i1.31255

[1] Лу, Цзиннань; Таппель, Райан С.; Номура, Кристофер Т. (5 августа 2009 г.). «Мини-обзор: Биосинтез поли(гидроксиалканоатов)». Обзоры полимеров . 49 (3): 226–248. дои : 10.1080/15583720903048243 . ISSN 1558-3724 . S2CID 96937618 .

[doi-2002-2] Перейти обратно: ^а ^б Дои, Ёсихару; Штайнбухель, Александр (2002). Биополимеры . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30225-3 . ^{[ нужна страница ]}

[3] Бхубалан, Кесавен; Ли, Вин-Хин; Судеш, Кумар (03 мая 2011 г.), Домб, Авраам Дж.; Кумар, Нирадж; Эзра, Авива (ред.), «Полигидроксиалканоат», « Биоразлагаемые полимеры в клиническом использовании и клинических разработках» , 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, Ю.Б.; Ленц, RW (2001). «Полиэфиры от 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 . ПМИД 11217417 .

[6] Жакель, Николя; Ло, Чи-Вэй; Вэй, Ю-Хонг; 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 .

[Rudnik2008-7] Ева Рудник (3 января 2008 г.). Компостируемые полимерные материалы . Эльзевир. п. 21. ISBN 978-0-08-045371-2 . Проверено 10 июля 2012 г.

[8] Себ Эгертон-Рид (9 сентября 2015 г.). «Новый способ изготовления пластика» . Распространять . Проверено 23 октября 2015 г.

[9] Мартин Ламоника (27 мая 2010 г.). «Микромидас протестирует технологию превращения осадка в пластик» . CNET . Проверено 23 октября 2015 г.

[10] Материалы манго выбраны для премии Фазы II STTR НАСА (10 августа 2017 г.) Bi PlasticsMagazine .com

[11] Насколько мы близки к новому изобретению пластика? (18 декабря 2019 г.) Искатель

[12] «Биопластики полного цикла превращают бактериальные отходы в «природный пластик» » . 11 июля 2019 г.

[13] «Сайт биоматериалов Пакеса» .

[14] Провинция Дренте (2022 г.). «Paques Biomaterials инвестирует 58 миллионов долларов в демонстрационную установку и завод в Эммене» .

[15] Катальди, П. (июль 2020 г.). «Многофункциональные биокомпозиты на основе полигидроксиалканоата и гибридов графена и 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 .

[16] Жакель, Николя; Ло, Чи-Вэй; Ву, Хо-Шинг; Вэй, Ю-Хонг; Ван, Шоу С. (2007). «Растворимость полигидроксиалканоатов экспериментально и термодинамические корреляции» . Журнал Айше . 53 (10): 2704–14. дои : 10.1002/aic.11274 .

[17] «Домашняя страница — P4SB» . www.p4sb.eu. Проверено 26 октября 2017 г.

[18] «Президентская программа награждения за зеленую химию» (PDF) . Президентская программа наград «За зеленую химию»: сводка заявок и получателей наград за 2005 год . Агентство по охране окружающей среды: 8. 2005 г. Архивировано из оригинала (PDF) 8 июля 2012 г.

[19] Амелия, Тан Сует Мэй; Говиндасами, Шаруматий; Тамотран, Аруларасу Муталиар; Виньесвари, Севакумаран; Бхубалан, Кесавен (2019), Калия, Випин Чандра (редактор), «Применение ПОА в сельском хозяйстве», Биотехнологическое применение полигидроксиалканоатов , Springer Singapore, стр. 347–361, doi : 10.1007/978-981-13-3759- 8_13 , ISBN 978-981-13-3758-1 , S2CID 139827723

[20] Чен, Го-Цян; Ву, Цюн (2005). «Применение полигидроксиалканоатов в качестве материалов тканеинженерной деятельности». Биоматериалы . 26 (33): 6565–78. doi : 10.1016/j.bimaterials.2005.04.036 . ПМИД 15946738 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]