PHA i prawa autorskie

• Polihydroksyalkanoaty (PHA) są badane ze względu na ich podobieństwo do konwencjonalnych tworzyw sztucznych i całkowitą biodegradowalność.
• Polihydroksyalkanoaty akumulują się u mikroorganizmów jako wewnątrzkomórkowe związki magazynujące energię i węgiel w warunkach niedoboru składników odżywczych niezawierających węgla.

Klasyfikacja PHA

• PHA są na ogół klasyfikowane na dwie kategorie w zależności od liczby atomów węgla w ich jednostkach monomerycznych:
  • PHA o krótkim łańcuchu (scl)-PHA, gdy jednostki monomeryczne zawierają od 3 do 5 atomów węgla.
  • PHA o średniej długości łańcucha (mcl)-PHA, gdy jednostki monomeryczne posiadają od 6 do 14 atomów węgla.

Właściwości PHA

• PHA ze względu na swój lipidowy charakter są nierozpuszczalne w wodzie.
• Polimery gromadzą się jako wewnątrzkomórkowe granulki otoczone warstwą fosfolipidów i niektórych powiązanych białek.
• Przechowywanie w postaci granulek pomaga w gromadzeniu dużych ilości węgla bez zakłócania równowagi osmotycznej komórki.
• Granulki utrudniają interakcję między strukturami komórki a PHA.
• PHA mogą stanowić nawet 90% suchej masy komórki.

Degradacja PHA

• Polimer może zostać całkowicie rozłożony przy użyciu hydrolaz PHA i depolimeraz PHA, dzięki czemu jest całkowicie kompatybilny z obiegiem węgla.
• Wysoki koszt produkcji w porównaniu z konwencjonalnymi tworzywami sztucznymi ogranicza powszechne stosowanie polimeru.

Badania nad PHA

• Badania nad wykorzystaniem tańszych podłoży trwają obecnie w celu obniżenia kosztów produkcji.
• PHA zostały opracowane w celu dopasowania do wielu zastosowań, w tym w medycynie.
• PHAs mają zastosowanie w medycynie, włączając w to szwy, implanty, stenty urologiczne, inżynieri tkanki nerwowej i sercowo-naczyniowej, utrwalanie złamań, leczenie narkolepsji i uzależnienia od alkoholu, nośniki leków i mikroenkapsulację komórek.
• Stosowanie PHA, które mają kontakt z ludzką krwią, musi być wolne od endotoksyn mikrobiologicznych i wymaga kosztownych procedur oczyszczania.

Wprowadzenie do PHA

• Tworzywa biodegradowalne wytwarzane ze źródeł odnawialnych są dobrą alternatywą dla tworzyw na bazie ropy naftowej.
• Obejmują one polihydroksyalkanoaty (PHA), poliestry alifatyczne, polilaktydy, polisacharydy, kopolimery lub mieszanki.
• Tworzywa biopochodne oferują rozwiązanie problemów związanych z gospodarką odpadami z tworzyw sztucznych.

Klasyfikacja biopolimerów

• Biopolimery można z grubsza podzielić na trzy grupy na podstawie ich właściwości biodegradowalnych.
  • Pierwsza grupa obejmuje biopolimery o właściwościach biodegradowalnych lub kompostowalnych, ale na ogół nie są one pochodzenia biologicznego.
  • Druga grupa obejmuje polimery, które są nie tylko biodegradowalne, ale również pochodzenia biologicznego.
  • Trzecia grupa obejmuje polimery niebiodegradowalne, ale produkowane ze źródeł biologicznych i przekształcane w formy niebiodegradowalne.

Historia PHA

• Około 250 szczepów drobnoustrojów ma zdolność do wytwarzania polihydroksyalkanów.
• Najczęściej stosowanym szczepem do produkcji przemysłowej jest Cupriavidus necator, znany wcześniej jako Ralstonia eutropha lub Alcaligenes eutrophus.
• Obecność poli(3-hydroksymaślanu) została po raz pierwszy zgłoszona przez francuskiego naukowca Lemoigne.

Odkrycia zwiazane z PHA

• Od tego czasu znaleziono wiele szczepów drobnoustrojów gromadzących PHB zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych.
• Odkryto, że gromadzenie PHA rozpoczyna się, gdy stosunek węgla do azotu dostępnego dla Bacillus megaterium jest wysoki, a gdy następuje wyczerpanie źródeł węgla, następuje degradacja polimeru.
• Oprócz 3-hydroksymaślanu jako monomeru istniały pewne główne i drugorzędne składniki, takie jak 3-hydroksywalerynian, 3-hydroksyheksanian i 3-hydroksyheptanian.

Typy monomerów PHA

• W 1983 roku w szczepie Pseudomonas oleovorans, gdy źródłem węgla był n-oktan, odkryto nowy typ monomeru, 3-hydroksyoktanian.
• Typ PHA zależy nie tylko od gatunku drobnoustroju, ale także od rodzaju zastosowanego substratu.
• Do tej pory odkryto około 150 rodzajów monomerów, w tym szeroką gamę z grupą R prostą, rozgałęzioną, aromatyczną itp.
• Polimery PHA są ogólnie klasyfikowane na dwie kategorie, w zależności od liczby atomów węgla w jednostkach monomerycznych:
  • PHA o krótkim łańcuchu (scl)-PHA, gdy jednostki monomeryczne zawierają 5 lub mniej atomów węgla.
  • PHA o średniej długości łańcucha (mcl)-PHA, gdy jednostki monomeryczne posiadają więcej niż 5 atomów węgla.

Przechowywania PHA w komórkach

• PHA to polimery, które zwykle mają charakter lipidowy.
• Są gromadzone jako materiały do magazynowania energii, pomagając w utrzymaniu drobnoustrojów w warunkach stresu związanego z niedoborem składników odżywczych.
• Rodzaj PHA, liczba granulek na organizm, wielkość komórki i inne cechy charakterystyczne granulki są zależne od organizmu.

Biosynteza PHA

• Polimery PHA są otoczone monowarstwą fosfolipidową i niektórymi powiązanymi białkami, tworząc granulki.
• Fazyny wpływają na liczbę i wielkość granulek PHA.
• Pierwszym odkrytym PHA, a zatem najlepiej przebadanym, jest PHB.

PHB

• Bakterie wytwarzają acetylo-koenzym-A (acetylo-CoA), który przy pomocy trzech enzymów biosyntetycznych przekształcany jest w PHB.
• Wolny koenzym-A wytwarzany podczas wzrostu hamuje 3-ketotiolazę.
• Ograniczenie składników odżywczych niezawierających węgla ograniczy wejście acetylo-CoA z glikolizy do cyklu Krebsa.

Mikroby produkujące PHA

• Cupriavidus necator jest znany z wytwarzania PHA o krótkim łańcuchu.
• Mutanta C. necator wykorzystującego glukozę wykorzystano do produkcji PHA przez Imperial Chemical Industries (Wielka Brytania) w 1980 roku.
• Polimer [P(3-HB)co(3-HV)] był sprzedawany pod nazwą Biopol.

Niskokosztowe podłoża do produkcji PHA

• Pomimo początkowego sukcesu produkcja przemysłowa polimeru jest bardzo ograniczona ze względu na wysoki koszt produkcji.
• Koszt wyprodukowania polietylenu i polipropylenu jest nawet tak niski jak 1 USD za kg.

Procesy produkcyjne dla syntezy PHA

• Proces wsadowy dwuetapowy wykorzystuje pierwszy etap, który ma pożywkę wzbogaconą w składniki odżywcze dla wystarczającego wzrostu, a następnie drugi etap dla tworzenia produktu poprzez zubożenie azotu.
• Metoda uczty i głodu polega na hodowli drobnoustrojów w pożywce o ograniczonej zawartości składników odżywczych przez długi czas, a następnie nagłym przeniesieniu ich do pożywki bogatej w składniki odżywcze.

Tańsze surowce

• Zastosowanie prostych, tanich i odnawialnych zasobów jest pierwszym krokiem do obniżenia kosztów.
• Mikroorganizmy są zdolne do wytwarzania PHA z szerokiej gamy źródeł węgla, takich jak złożone ścieki, oleje roślinne, alkany, kwasy tłuszczowe itp.
• Oleje roślinne, takie jak olej sojowy, olej palmowy i olej kukurydziany, są dobrymi materiałami do produkcji PHA.
• Glicerol jest produktem ubocznym procesu rafinacji oleju palmowego i jest bardzo interesującym źródłem węgla dla niektórych drobnoustrojów.
• Najobficiej występującym w środowisku źródłem węgla jest dwutlenek węgla i ze względu na możliwość pobierania dwutlenku węgla przez rośliny.

Odzysk PHA

• Oddzielenie i oczyszczenie PHA jest równie ważne jak proces produkcji.
• Najczęstszą metodą oddzielania PHA od biomasy jest ekstrakcja rozpuszczalnikowa.
• Inną prostą metodą ekstrakcji jest obróbka biomasy podchlorynem sodu.

Metoedy odzyskiwania PHA

• Wykorzystanie podchlorynu i chloroformu razem również pomaga w obniżeniu degradacji produktu zatrzymując kontakt PHA z fazą wodną.
• Ciekawym typem separacji jest separacja enzymatyczna PHA.
• Do poprawnej ekstrakcji wymagana jest wcześniejsza obróbka cieplna uszkadzająca komórki i denaturująca kwasy nukleinowe.

Degradacja PHA

• Ważną cechą PHA jest ich biodegradowalność.
• Bakterie preferujące degradację PHA różnią się pod względem rodzaju poliestru, jaki mogą degradować.
• Większość badanych bakterii wytwarza albo dPHA(scl), albo dPHA(mcl).

Odnawialność PHA

• Polihydroksyalkanoaty są nie tylko biodegradowalne, ale także wytwarzane z odnawialnych źródeł biologicznych.
• Fermentacyjna produkcja PHA wykorzystuje pasze rolnicze, takie jak cukry i kwasy tłuszczowe, jako źródła węgla i energii.

Aplikacje biotechnologiczne

• Przemysłowa produkcja PHA rozpoczęła się od Biopoll przez ICI Ltd w 1982 roku.
• Polimery PHA mogą być używane do zastąpienia konwencjonalnych tworzyw sztucznych w pojemnikach, foliach itp.
• PHA znalazły również zastosowanie w tonerach do zastosowań drukarskich, jak również w klejach do powlekania.

Ocena oddziaływania PHA

• Cykl oceniania PHA i proces produkcji należy wziąć pod uwagę ze względu na ich wpływ na społeczeństwo i środowisko.
• Ocena cyklu życia jest dobrze ugruntowanym podejściem do identyfikowania najlepszych sprawdzonych działań w odniesieniu do złożoności wyborów stojących przed społeczeństwem i przemyslem.