Полигидроксиалканоаты (ПГА)

Полигидроксиалканоаты, ПГА (polyhydroxyalcanoates, PHA) — полиэфиры оксикислот. Синтезируются в условиях недостатка макро- или микроэлементов, например, азота или фосфора, при наличии источников углерода и энергии. Накапливаются микроорганизмами в виде гранул и расщепляются по необходимости. Обладают широким спектром физико-механических свойств, что позволяет производить из них практически все типы полимерных изделий. Являются хорошей альтернативой традиционным синтетическим полимерам, так как легко разлагаются в окружающей среде. 

Основные производители на рынке на данный момент это Bio-on SpA, Bluepha, CjBio, Danimer Scientific, Full Cycle Bioplastics, Kaneka Corporation, Newlight Technologies, Paques Biomaterials, RWDC, Tianan Enmat.

Структурные формулы некоторых полигидроксиалканоатов:

а) П3ГБ, б) ПГВ, в) ПГБВ

В оптимизированных условиях поли-3-гидроксибутират может составлять до 80% от сухого веса клеток. Вновь синтезированный полимер присутствует в клетках в очень высоких молекулярных массах, что свидетельствует о небольшом влиянии полимера на осмотическое давление клетки и отсутствии вмешательства в клеточный обмен веществ. При истощении источников питания клетка начинает использовать депонированный полимер для получения энергии, в результате чего продлевает собственную жизнеспособность до тех пор, пока не возобновится нормальное питание.

Разделение ПГА на группы производится в зависимости от строения мономеров, входящих в состав ПГА:

1) Короткоцепочечные полигидроксиалканоаты – те, в которых мономеры состоят из 3-5 атомов углерода. Наиболее известные представителями этого класса – поли-3-гидроксибутират и его сополимеры с гидроксивалератом. Полигидроксибутират является гомополимером D(-)-3-β- оксимасляной кислоты и представляет собой полиэфир с регулярными, повторяющимися единицами (С4Н6О2). Среди всех полигидроксиалканоатов, П3ГБ является наиболее часто встречающимся биополимером в природе. Это самый простой полигидроксиалканоат по отношению к химической структуре, имеющий метиленовую группу(-CH3). Мономеры, такие как 3-гидроксивалерат и 4-оксибутират, включают в ПГБ цепи с использованием специфических добавок в среде для роста бактерий.

2) Со средней длиной цепи ПГА – мономеры которых имеют 6-14 атомов углерода. Для синтеза такой цепи в качестве продуцента специально используются псевдомонады, а в качестве субстрата – алифатические углеводороды, например: н-алканы, н-алканоаты, или н-алканолы.

3) Длинноцепочечные – с содержанием в мономерах 17-18 атомов углерода.

Полигидроксиалканоаты имеют ряд преимуществ по сравнению с другими классами биоразлагаемых полимеров:

Их получают методом прямой ферментации, соответственно производство не требует серии классических для полимерных производств технологических этапов (синтез мономеров, полимеризация, добавление пластификаторов и модифицирующих компонентов и т.д.);

потенциально широкая сырьевая база — сырьем для синтеза ПГА могут быть сахара, органические кислоты, спирты, продукты гидролиза растительного сырья, промышленные отходы производства сахара, пальмового масла, водородсодержащие продукты переработки бурых углей и гидролизного лигнина;

ПГА – это целое семейство полимеров различной химической структуры, образованных мономерами с длиной углеродной цепи от С4 до С18. Соответственно, меняя группу бактерий и ростовой субстрат, можно получить осветляющих добавках|полимеры с различными свойствами, различающиеся по степени кристалличности, механическим свойствам, температурным характеристикам, скорости биораспада, представляющие собой как высококристалличные термопласты, так и резиноподобные эластомеры;

ПГА могут быть переработаны общепринятыми методами переработки полимеров.

Основными факторами, сдерживающими крупнотоннажное производство ПГА, являются высокая стоимость продукта, его довольно низкая термическая стабильность и медленная кристаллизация.

Полигидроксиалканоаты – это полностью биодеградируемые осветляющих добавках|полимеры. ПГА могут разрушаться как под воздействием температуры, так и в результате кислотного и щелочного гидролиза, а также биологическим путем, под воздействием ферментов – деполимераз. При термальном разложении происходит случайное разделение полимера. Под влиянием кислот или щелочей полиоксиалканоаты разлагаются, как обычные эфиры. Биологическая деградация ПГА происходит гидролитически под воздействием специфических ферментов-деполимераз, продуцируемых микроорганизмами, а также ферментами крови и тканей высших животных.

В компосте при влажности 85% и температуре 20-60 °С ПГА разлагаются на воду и углекислый газ за 7-10 недель.

Свойства ПГА

Способность ПГА к биоразложению – их определяющая особенность, изделия, изготовленные из ПГА экологически чистые и не требуют специальной утилизации после использования. Возможно захоронение изделий из ПГА после их использования в почве или морской воде, где обеспечивается их полное биоразложение, что исключает загрязнение окружающей среды.

Свойства ПГА определяются их строением, прежде всего, они зависят от строения боковых групп в полимерной цепи, а также от расстояния между эфирными группами в молекуле.

Наибольшую практическую значимость из полимеров класса ПГА имеют поли (3- гидроксибутират) (ПГБ) и сополимер 3-гидроксибутирата с 3-гидроксивалератом (ПГБВ). В малых количествах производятся другие сополимеры — гидроксибутирата и гидроксигексаноата, а также двух-, трех-, четырех- компонентные осветляющих добавках|полимеры с различным набором и соотношением гидроксибутирата и гидроксивалерата, гидроксигексаноата и гидроксиоктаноата.

Полигидроксибутират представляет собой стереорегулярный изотактический гомополимер  D(-)-3--оксимасляной кислоты (С4H8O2).

Молекулярная масса ПГБ может составлять от нескольких сотен до миллионов с полидисперсией от 2,3 до 3,2. Эта величина зависит от типа используемого продуцента, условий его выращивания, а также метода экстракции полимера из биомассы и применяемых при этом растворителей.

Полигидроксибутират представляет собой бесцветное полукристаллическое гидрофобное вещество. Плотность аморфной фазы ПГБ составляет 1,177 г/см3, кристаллической – 1,23–1,26 г/см3.

Изотактический полиоксибутират по строению сходен с изотактическим полипропиленом и имеет тип присоединения элементарных звеньев «голова к хвосту».

ПГБ представлен плотно упакованными двойными спиралями, повторяющимися на расстоянии 5,95 Ă и двукратно закрученными вправо вокруг оси. Цепь оксибутирата имеет 21 спиральную конформацию, ячейки кристаллической решетки орторомбические. Степень кристалличности различных образцов ПГБ мало зависит от условий получения и лежит в диапазоне 0,62–0,76.

ПГБ, помимо биоразлагаемости, отличается следующими полезными свойствами:

- биосовместимостью с организмом человека (не токсичен и не вызывает ни одной из известных аллергических реакций) и тромборезистентностью, препятствующей сворачиваемости крови,

- хорошими упруго-прочностными свойствами,

- проявляет оптическую активность,

- термопластичен, по своим технологическим свойствам он практически не отличается от синтетических термопластов, и потому может перерабатываться на стандартном промышленном оборудовании отраслевых заводов, где осуществляется формование нитей, пленок и других изделий,

- имеет пьезоэлектрические свойства.

Изделия из этого полимера можно получать как из расплава, так и из его растворов в органических растворителях – пиридине, диоксане, диметилформамиде, этилацетате, NaOH, высших спиртах, камфоре и хлороформе. Полимер практически не растворим в воде, эфире, низших спиртах, ацетоне, которые используются в качестве осадителей ПГБ из растворов.

Получение ПГА

Последовательность реакций биосинтеза ПГА следующая:

- на 1м 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;

- 2й этап, включающая комплекс анаболических и катаболических реакций, конвертирует компоненты в гидроксиацил коэнзим-А, тиоэфир которого является субстратом для ПГА-синтазы;

- на 3м этапе ПГА-синтаза (ключевой фермент биосинтеза данных полимеров) использует тиоэфиры как субстраты и катализирует образование эфирных связей между ними при участии КоА.

Для производства полигидроксиалканоатов используются простые, возобновляемые ресурсы, такие как сахароза, крахмал, целлюлоза и глицерин. Производство синтетических пластмасс, в свою очередь, приводит к потреблению невозобновляемых ископаемых ресурсов, таких как нефть. В качестве определяющих критериев для выбора потенциальных продуцентов ПГА принято рассматривать такие показатели как химический состав, выход полимера, затраты углеродного субстрата, концентрацию клеточной биомассы в культуре, продуктивность процесса. Продуцентами полигидроксиалканоатов являются многие бактерии, имеющие различные свойства. Cupriavidus necator является наиболее известной и широко используемой бактерией для синтеза ПГА. В 1980-х годах мутированная форма  бактерии  C.  necator  была  использована  Imperial  Chemical Industries(UK) для промышленного синтеза поли-3-гидроксибутират-со-3- гидроксивалерата [P (3HB-со3HV)], проданного под торговой маркой BiopolTM. Также используются генетически сконструированные бактерии – рекомбинантные штаммы бактерии Escherichia coli, продуцирующей полигидроксиалканоаты с различными мономерами в составе.

ПГА синтезируются в результате сложного биосинтетического процесса, каждая стадия которого катализируется специфическими ферментами. Изучение закономерностей организации внутриклеточного цикла полигидроксиалканоатов дает возможности управления этим процессом и основу для синтеза полимеров с новыми свойствами. Накопление ПГА является естественным способом хранения энергетических запасов, в то время когда запасы питательных веществ несбалансированны. Биополимеры накапливаются в тот момент, когда рост бактерий ограничен истощением азота, фосфора либо кислорода. При полимеризации растворимых промежуточных соединений в нерастворимые бактериальная клетка не претерпевает изменений в своем осмотическом состоянии, что способствует предотвращению утечки данных соединений через клеточную стенку бактерии.

Внутриклеточный метаболизм полигидроксиалканоатов носит циклический характер – в клетке постоянно происходят процессы синтеза и деструкции биополимера.

Биосинтез ПГА происходит при участии трëх ферментов:

- β-кетотиолаза, кодируемая геном phbA;

- ацетоацетил-КоА-редуктаза, кодируемая геном phbB, служит ключевым ферментом биосинтеза и определяет тип ПГА;

ПГА-синтаза, кодируемая геном phbC – может находиться в растворимой форме либо связываться с гранулами полимера; при лимитировании по углероду осуществляется синтез преимущественно растворëнной формы фермента, однако при переносе культуры в условия, при которых начинается лимитирование по азоту и резкое падение активности ПГА-синтазы, а также наблюдается нахождение преимущественно уже гранулозаисимой формы.