Полигидроксиалканоаты - биоразрушаемые полимеры гидроксипроизводстных алкановых кислот: синтез, свойства, области применения

29 Декабря в 22:24 5949 0


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);

Потенциальное исходное сырье и этапы производства ПГА
Рис. 5.8. Потенциальное исходное сырье и этапы производства ПГА

- 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:

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 три 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 когторых зависит от валового содержания оплимера в клетке (рис. 5.9). Процесс синтеза и гранулообразования ПГА в клетках включает несколько этапов: растворимая ПГБ-полимераза (синтаза) взаимодействует с возрастающими концентрациями 3-оксибутирил-КоА в цитоплазме, приводя к праймингу фермента.

Клетки Ralstonia eutropha B 5786 из различных фаз роста периодической культуры в ходе аккумуляции ПОБ
Рис. 5.9. Клетки Ralstonia eutropha B 5786 из различных фаз роста периодической культуры в ходе аккумуляции ПОБ: 1 - клетки без полимера, 4-часовая культура; 2 - 10-часовая культура, 26 % ПОБ; 3 - 40-часовая культура, 54 % ПОБ; 74-часовая культура, 85 % полимера; данные Т.Г. Воловой

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).

Таблица 5.3. Свойства полигидроксиалканоатов различного состава
Свойства полигидроксиалканоатов различного состава

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 и других сферах.

Экспериментальные образцы изделий, полученные в Институте биофизики СО РАН из ПГА (фото Т.Г. Воловой)
Рис. 5.10. Экспериментальные образцы изделий, полученные в Институте биофизики СО РАН из ПГА (фото Т.Г. Воловой)

Уже сейчас сферы применения ПГА - самые различные. Предназначены они, в основном, для изготовления упаковочного материала и тары для бытовых отходов, пищевой промышленности, косметологии, а также сельского хозяйства.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы