Wikipedista:Eliskanova/Pískoviště

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Polyhydroxyalkanoáty (PHA)[editovat | editovat zdroj]

Polyhydroxyalkanoáty (PHA) jsou polyestery organických kyselin produkované bakteriemi a dalšími mikroorganismy.[1] Různé typy polyhydroxyalkanoátů slouží mikroorganismům jako zásobní polymer, z něhož čerpají energii a stavební jednotky v případě nedostatku. Mohou být tvořeny více než 150 typy monomerů[2][3], které mohou být dále kombinovány v široké škále kopolymerů[4]. Díky tomu tvoří PHA materiály s odlišnými vlastnostmi.

Poly-3-hydroxybutyrát

PHA jsou přírodní polymery.[5] Přestože je možné je připravit také synteticky, vyrábí se biotechnologickou cestou. Často bývají označované jako bioplasty. Polyhydroxyalkanoáty mohou být použity jako termoplasty nebo elastomery s teplotou tání od 40 do 180 °C. Vynikají zejména svou biodegradabilitou a biokompatibilitou.

Materiálové vlastnosti PHA se liší nejen v závislosti na typu monomeru, ale také na fyzikálních vlastnostech jako je molekulová hmotnost a povrchové vlastnosti. Vlastnosti materiálu mohou být vylepšeny přidáním dalších látek za vzniku kompozitu. PHA je možné upravovat tedy chemicky, fyzikálními postupy i použít ve směsi, díky čemuž nachází uplatnění v mnoha oborech.

Typickým zástupcem PHA je P3HB (poly-3-hydrohybutyrát). Dále se používá P3HV (poly-3-hydroxyvalerát), P4HB (poly-4-hydroxybutyrát) a jejich kopolymery, nejčastěji PHBV (polyhydroxybutyrát-co-hydroxyvalerát).

Biosyntéza[editovat | editovat zdroj]

Mnoho mikroorganismů využívá různé typy PHA jako zásobní polymer. Ve chvíli, kdy má bakterie dostatečný zdroj uhlíku, ale chybí jí některé esenciální živiny nutné pro růst a následné dělení, ukládá uhlík ve formě granulí PHA obalených specifickými lipidy a proteiny.[1] PHA v těchto bakteriích může tvořit až 80 % jejich suché hmotnosti.

Různé mikroorganismy využívají pro biosyntézu různých typů PHA různé zdroje uhlíku. Tím vzniká velká variabilita jak v používaných vstupních surovinách, tak ve výsledném materiálu. Dokonce stejný bakteriální kmen může tvořit různé varianty PHA v závislosti na typu suroviny, kterou zpracovává. Může se jednat o polysacharidy ze zemědělské výroby, oleje, ale také methan a další látky. Pokud jsou zdrojem uhlíku tuky a oleje, je syntéza PHA spřažena s β-oxidací mastných kyselin. Při využití glukózy je to glykolýza a dehydrogenace pyruvátu. Pochopení metabolické dráhy syntézy PHA v různých organismech umožňuje výrobu specifických polyhydroxyalkanoátů pomocí výběru vstupního zdroje uhlíku nebo úpravy genetické informace.[1]

Biosyntéza PHA probíhá v bakteriích díky PHA syntázám. PHA syntázy zpracovávají hydroxylované organické kyseliny aktivované koenzymem A. Dvě třídy PHA syntáz se liší podle toho, zda zpracovávají kyseliny s krátkým nebo středně dlouhým uhlíkatým řetězcem. Nízká specifita PHA syntáz umožňuje zabudování více než stovky různých monomerů, což vede ke vzniku celé škály polyhydroxyalkanoátů.[3] Mikroorganismy syntetizující PHA nesou také PHA depolymerázy, tedy enzymy, které dokáží PHA také rozkládat a využívat je jako zdroj energie a uhlíku.[1] Díky velkému rozšíření PHA depolymeráz v genech mikroorganismů jsou polyhydroxyalkanoáty rozložitelné v mnoha prostředích.

Průmyslová výroba[editovat | editovat zdroj]

Při výrobě PHA se využívá průmyslových fermentorů, kde jsou simulované životní podmínky pro bakterie syntetizující PHA. Zdrojem uhlíku jsou různé, zpravidla odpadní, materiály. Ve fermentoru jsou eliminací esenciální živiny (fosforu, dusíku nebo stopových prvků) bakterie donuceny k ukládaní uhlíku ve formě PHA. PHA je poté z bakterií izolován a dále zpracováván s ohledem na různé aplikace.

Organismy produkující PHA[editovat | editovat zdroj]

Bakterie, které využívají PHA jako zásobní látku byly nalezeny v mnoha různých prostředích (sladké toky i slané vody, půda, čistírny odpadních vod) a stejně tak je rozmanité jejich systémové zařazení. S nástupem metagenomiky je možné studovat mikroorganismy využívající PHA v různých ekosystémech bez nutnosti jejich kultivace.

Průmyslová fermentace může probíhat buď za působení jednoho definovaného kmene, který produkuje PHA, (ať už se jedná o bakterii získanou z přírodních podmínek, nebo genetický modifikovaný mikroorganismus) nebo za pomoci směsné kultury. Oba postupy mají své výhody i nevýhody. Použití definovaného bakteriálního kmene zajišťuje lepší předvídatelnost systému a výsledný materiál má homogenní vlastnosti. Taková kultivace je ale náročnější z hlediska ochrany čisté kultury před kontaminacemi a specializace na jeden druh vstupní suroviny (zdroje uhlíku). Použití směsné kultury, tedy celé variety mikroorganismů syntetizujících PHA, umožňuje využití širšího spektra vstupních surovin. Takový postup je vhodný zejména při použití proměnlivého a chudšího zdroje uhlíku jako je třeba odpadní voda. Také odpadá nutnost nákladné ochrany před kontaminací. Celý proces by tedy mohl být levnější, ale výsledný materiál pravděpodobně bude směsí polyhydroxyalkanoátů, nikoliv čistá látka, a tedy nebude vhodný pro aplikace s vysokou přidanou hodnotou.[6]

Nejčastěji používanou bakterií v biotechnologických procesech je Cupravidus necator (dříve Rastolnia eutropha), dále jsou často využívány kmeny druhů Bacillus a Pseudomonas.

Na vzestupu jsou také geneticky modifikované rostliny, do kterých byly přeneseny bakteriální geny pro produkci PHA. Takové rostliny mohou využívat svých přirozených zdrojů, tedy CO2 a minerálních látek z půdy, a syntetizovat PHA ve svých pletivech.[7] Podobně mohou být využity také sinice.[6]

Zdroje uhlíku – vstupní surovina[editovat | editovat zdroj]

Zdroje uhlíku pro organismy vytvářející PHA jsou tak různorodé jako organismy samy. Ideální vstupní surovina pro fermentaci je taková, která:

  • nemůže být potravinou nebo potravou pro zvířata ani s nimi nesoutěží o zdroje,
  • její produkce není sezónní,
  • má stabilní složení,
  • je vhodná pro výrobu polymeru, který je žádaný,
  • je odpadním materiálem. Její využití je tedy procesem upcyklace. Pro zachování výše zmíněných kritérií je nejvýhodnější průmyslový odpad.[8]

Klíčovou charakteristikou je také cena vstupní suroviny. Pro výrobu PHA tak může sloužit melasa, siláž, odpadní oleje, vedlejší produkty výroby biopaliv, celulóza a lignocelulóza, syrovátka a odpady vznikající při výrobě mléčných produktů a potravin vůbec, odpadní voda z různých průmyslových procesů i domácností[8], methan[9] a další suroviny bohaté na uhlík.

Izolace a zpracování PHA[editovat | editovat zdroj]

Izolace a další zpracování PHA jsou hlavními procesy, které určují náklady na výrobu a ovlivňují vlastnosti výsledného materiálu. Vhodnost metody závisí na podílu PHA v biomase, na konkrétním typu PHA a na vlastnostech samotného (mikro)organismu. Mezi ne zcela ekologické metody izolace PHA patří extrakce halogenovanými rozpouštědly nebo pomocí chlornanů. Lepší variantou je použití „zelených“ rozpouštědel nebo surfaktantů. Izolace je možná také pomocí enzymů i dalších procesů, které nezatěžují životní prostředí. Dokonce lze využít červů Tenebrio molitor, kteří stráví bakteriální biomasu, zatímco granule PHA zůstanou neporušené. Jedná se sice o maximálně ekologický postup, ale takový způsob izolace PHA je nevhodný pro průmyslovou výrobu.[10]

PHA jsou (v závislosti na svých konkrétních vlastnostech) zpracovatelné klasickými metodami jako je vstřikování nebo lisování. PHA jsou vhodné také pro 3D tisk a další aplikace podobně jako syntetický plast.

Výrobci[editovat | editovat zdroj]

P3HB (poly-3-hydroxybutyrát) byl poprvé objeven v roce 1926 v bakterii Bacillus megaterium.[11] Teprve až v šedesátých letech se věda zaměřila také na další PHA produkované bakteriemi, byly jimi P3HV (poly-3-hydroxyvalerát) a P3HHx (poly-3-hydroxyhexanoát). Jako první se průmyslově začal v 80. letech minulého století vyrábět PHBV (poly(3-hydroxybutyrát-co-3-hydroxyvalerát) pod značkou Biopol, za kterou stála firma Monsanto, dokud značku neprodala firmě Metabolix. Do roku 2006 bylo známo již cca 150 různých PHA. Komerční produkce zlevnila tyto materiály a ty začaly být ve velkém testovány pro různá použití s velkým potenciálem v medicíně.[12]

V současné době se výrobě PHA věnuje řada velkých i malých firem. Jsou to především Bluepha (Čína), Cheil-Jedang (Jižní Korea), Danimer Scientific (USA), Full Cycle Bioplastics (USA), Kaneka (Japonsko), Newlight Technologies (USA), RWDC-Industries (USA/Singapur) a Tianan Biologic Material (China). Mnoho dalších firem vyvíjí nové technologie výroby PHA. Jsou mezi nimi také Veolia, Micromidas a Mango Materials, Minerv PHA Bioplastics a řada dalších.

V České republice se vývoji technologie a výrobě PHA věnuje Nafigate Corporation ve svém projektu Hydal PHA.

Vlastnosti materiálu[editovat | editovat zdroj]

Polymery PHA se chovají jako termoplasty a mohou být zpracovávány konvenčními nástroji. V závislosti na chemickém složení se liší jejich elasticita a tvárnost. PHA jsou UV stabilní a hydrofilní, tedy odolné vůči vodě. Míra krystalinity se liší v závislosti na chemickém složení. Nejčastěji používaný polyhydroxybutyrát (PHB) vykazuje vysokou krystalinitu, a tedy je hůře zpracovatelný. S rostoucím podílem valerátu v kopolymeru (PHBV) ale dochází ke zlepšení flexibility a elasticity materiálu.

PHA jsou rozpustné v halogenovaných rozpouštědlech jako jsou chloroform, dichlormethan nebo dichlorethan.

Hlavní předností polyhydroxyalkanoátů je jejich biodegradabilita a biokompatibilita. Biodegradabilita PHB byla prokázána v půdě, vodě, v oceánech, za aerobních i anaerobních podmínek.[13][14][15] PHB je obecně bráno jako zcela netoxické ať už polymer, tak produkty jeho degradace. Monomerní jednotka – 3-hydroxybutyrát je přirozeným metabolitem živých organismů i lidského těla. PHB se neakumuluje v životním prostředí a je degradovatelné i uvnitř organismů, včetně člověka.[16][17][18][19][20]

Vlastnosti různých PHA, rychlost degradace a míra toxicity samozřejmě také záleží na konkrétním chemickém složení.

Použití[editovat | editovat zdroj]

Díky svým vlastnostem nachází PHA široké uplatnění v mnoha oborech. Produkce PHA dobře zapadá do principů cirkulární a zelené ekonomiky. Produkce biodegradabilních polymerů bez použití fosilních zdrojů je potenciální konkurencí pro tradiční plasty. Největším segmentem využití PHA jsou tedy v současné době jednorázové výrobky jako jsou sáčky a obaly. Náklady na výrobu PHA jsou ale stále příliš vysoké v porovnání se syntetickými plasty. To pohání vývoj nových výrobních technologií, které zlevní výrobu PHA, ale také hledání nových aplikací v oborech, kde lze využít specifických vlastností PHA, kterými se od klasických plastů liší. Jsou to zejména biodegradabilita a biokompatibilita.

  • Zemědělství: PHA jsou vhodné pro výrobu mulčovacích folií, které jsou biodegradabilní, a tak nedochází k zanášení půdy plasty a mikroplasty. PHA jsou obecně dobrým nosičem pro různé látky v mnoha oborech. Použití PHA v nových formulacích pesticidů by pomohlo zvýšit efektivitu a bezpečnost používaných agrochemikálií. Své využití může najít také jako ochranný film semen.
  • Medicína: Biodegradabilita a biokompatibilita jsou vlastnosti využitelné v biomedicíně. PHB je studován jako nosič aktivních látek léčiv[21], je ale také dobrým lešením pro rostoucí tkáně[22]. To přináší možnost využití PHB při hojení ran, ale také v různých implantátech. PHB zabraňuje tvorbě biofilmů patogenních bakterií, a je tak vhodnou povrchovou úpravou kloubních implantátů. PHB se již používá v medicíně pro rozložitelné stehy.[23]
  • Kosmetika: PHA v kosmetice zejména nahrazují mikroplasty, které jsou velkým úskalím kosmetických přípravků. PHA mohou sloužit jako abrazivní částice nebo zahušťovat formulaci. Lze využít také dalších vlastností zjištěných v biomedicínském výzkumu jako je třeba schopnost nést aktivní látky.
  • Akvakultura: PHB se používá také v akvakulturách, kde upravuje obsah patogenních mikroorganismů, a snižuje tak spotřebu antibiotik.[24]
  • Textilní průmysl: PHA jsou vhodné také pro tvorbu vláken a textilu. Očekává se rozvoj textilních materiálů z biodegradabilních materiálů.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. ↑ a b c d LU, Jingnan; TAPPEL, Ryan C.; NOMURA, Christopher T. Mini-Review: Biosynthesis of Poly(hydroxyalkanoates). Polymer Reviews. 2009-08-05, roč. 49, čís. 3, s. 226–248. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. ISSN 1558-3724. DOI 10.1080/15583720903048243. 
  2. ↑ STEINBÜCHEL, Alexander. Diversity of bacterial polyhydroxyalkanoic acids. FEMS Microbiology Letters. Roč. 1995, čís. Volume 128, Issue 3, s. Pages 219–228. Dostupné online. 
  3. ↑ a b HAZER, Baki; STEINBÜCHEL, Alexander. Increased diversification of polyhydroxyalkanoates by modification reactions for industrial and medical applications. Applied Microbiology and Biotechnology. 2007-02, roč. 74, čís. 1, s. 1–12. PMID: 17146652. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. ISSN 0175-7598. DOI 10.1007/s00253-006-0732-8. PMID 17146652. 
  4. ↑ DOI, Yoshiharu; STEINBÜCHEL, Alexander. Biopolymers. Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2002. ISBN ISBN 978-3-527-30225-3. 
  5. ↑ BARRETT, Axel. Which Are Natural Polymers in the Sense of the Single-Use Plastic Ban?. Bioplastics News [online]. 2019-10-08 [cit. 2020-10-20]. Dostupné online. (anglicky) 
  6. ↑ a b KOLLER, Martin; GASSER, Ilona; SCHMID, Florian. Linking ecology with economy: Insights into polyhydroxyalkanoate-producing microorganisms. Engineering in Life Sciences. 2011, roč. 11, čís. 3, s. 222–237. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. ISSN 1618-2863. DOI 10.1002/elsc.201000190. (anglicky) 
  7. ↑ DOBROGOJSKI, Jędrzej; SPYCHALSKI, Maciej; LUCIŃSKI, Robert. Transgenic plants as a source of polyhydroxyalkanoates. Acta Physiologiae Plantarum. 2018-08-24, roč. 40, čís. 9, s. 162. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. ISSN 1861-1664. DOI 10.1007/s11738-018-2742-4. (anglicky) 
  8. ↑ a b KOLLER, Martin; MARŠÁLEK, Lukáš; DE SOUSA DIAS, Miguel Miranda. Producing microbial polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolyesters in a sustainable manner. New Biotechnology. 2017-07-25, roč. 37, čís. Biopolymers Eu Symposium, s. 24–38. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. ISSN 1871-6784. DOI 10.1016/j.nbt.2016.05.001. (anglicky) 
  9. ↑ STRONG, Peter James; LAYCOCK, Bronwyn; MAHAMUD, Syarifah Nuraqmar Syed. The Opportunity for High-Performance Biomaterials from Methane. Microorganisms. 2016-02-03, roč. 4, čís. 1. PMID: 27681905 PMCID: PMC5029516. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. ISSN 2076-2607. DOI 10.3390/microorganisms4010011. PMID 27681905. 
  10. ↑ KOLLER, Martin. Established and advanced approaches for recovery of microbial polyhydroxyalkanoate (PHA) biopolyesters from surrounding microbial biomass. The EuroBiotech Journal. 2020-07-19, roč. 4, čís. 3, s. 113–126. Dostupné online [cit. 2020-10-20]. DOI 10.2478/ebtj-2020-0013. (anglicky) 
  11. ↑ LEMOIGNE, M. Produits de Deshydration et de Polymerisation de L'acide β-Oxybutyrique. Bull. Soc. Chim. Biol.. 1926, čís. 8, s. 770-782. Dostupné online. 
  12. ↑ VALAPPIL, Sabeel P.; MISRA, Superb K.; BOCCACCINI, Aldo R. Biomedical applications of polyhydroxyalkanoates, an overview of animal testing and in vivo responses. Expert Review of Medical Devices. 2006-11-01, roč. 3, čís. 6, s. 853–868. PMID: 17280548. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 1743-4440. DOI 10.1586/17434440.3.6.853. PMID 17280548. 
  13. ↑ DILKES-HOFFMAN, Leela Sarena; LANT, Paul Andrew; LAYCOCK, Bronwyn. The rate of biodegradation of PHA bioplastics in the marine environment: A meta-study. Marine Pollution Bulletin. 2019-05-01, roč. 142, s. 15–24. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 0025-326X. DOI 10.1016/j.marpolbul.2019.03.020. (anglicky) 
  14. ↑ BONARTSEVA, G. A.; MYSHKINA, V. L.; NIKOLAEVA, D. A. The Biodegradation of Poly-β-Hydroxybutyrate (PHB) by a Model Soil Community: The Effect of Cultivation Conditions on the Degradation Rate and the Physicochemical Characteristics of PHB. Microbiology. 2002-03-01, roč. 71, čís. 2, s. 221–226. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 1608-3237. DOI 10.1023/A:1015162608031. (anglicky) 
  15. ↑ YAGI, Hisaaki; NINOMIYA, Fumi; FUNABASHI, Masahiro. Thermophilic anaerobic biodegradation test and analysis of eubacteria involved in anaerobic biodegradation of four specified biodegradable polyesters. Polymer Degradation and Stability. 2013-06-01, roč. 98, čís. 6, s. 1182–1187. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 0141-3910. DOI 10.1016/j.polymdegradstab.2013.03.010. (anglicky) 
  16. ↑ GOGOLEWSKI, S.; JOVANOVIC, M.; PERREN, S. M. Tissue response andin vivo degradation of selected polyhydroxyacids: Polylactides (PLA), poly(3-hydroxybutyrate) (PHB), and poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHB/VA). Journal of Biomedical Materials Research. 1993-09, roč. 27, čís. 9, s. 1135–1148. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 0021-9304. DOI 10.1002/jbm.820270904. (anglicky) 
  17. ↑ MA, Linlin; ZHANG, Ziheng; LI, Jun. A New Antimicrobial Agent: Poly (3‐hydroxybutyric acid) Oligomer. Macromolecular Bioscience. 2019-05, roč. 19, čís. 5, s. 1800432. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 1616-5187. DOI 10.1002/mabi.201800432. (anglicky) 
  18. ↑ QU, Xiang-Hua; WU, Qiong; ZHANG, Kun-Yang. In vivo studies of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) based polymers: Biodegradation and tissue reactions. Biomaterials. 2006-07-01, roč. 27, čís. 19, s. 3540–3548. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 0142-9612. DOI 10.1016/j.biomaterials.2006.02.015. (anglicky) 
  19. ↑ ROMO-URIBE, Angel; MENESES-ACOSTA, Angelica; DOMÍNGUEZ-DÍAZ, Maraolina. Viability of HEK 293 cells on poly-β-hydroxybutyrate (PHB) biosynthesized from a mutant Azotobacter vinelandii strain. Cast film and electrospun scaffolds. Materials Science and Engineering: C. 2017-12, roč. 81, s. 236–246. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. DOI 10.1016/j.msec.2017.07.045. (anglicky) 
  20. ↑ SAITO, Terumi; TOMITA, Kenkichi; JUNI, Kazuhiko. In vivo and in vitro degradation of poly(3-hydroxybutyrate) in pat. Biomaterials. 1991-04, roč. 12, čís. 3, s. 309–312. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. DOI 10.1016/0142-9612(91)90039-D. (anglicky) 
  21. ↑ PAPANEOPHYTOU, Christos; KATSIPIS, George; HALEVAS, Eleftherios. Polyhydroxyalkanoates Applications in Drug Carriers. Příprava vydání Vipin Chandra Kalia. Singapore: Springer Dostupné online. ISBN 978-981-13-3759-8. DOI 10.1007/978-981-13-3759-8_5. S. 77–124. (anglicky) DOI: 10.1007/978-981-13-3759-8_5. 
  22. ↑ BONARTSEV, A. P.; П, Бонарцев А.; BONARTSEVA, G. A. Application of Polyhydroxyalkanoates in Medicine and the Biological Activity of Natural Poly(3-Hydroxybutyrate). Acta Naturae. 2019-06-15, roč. 11, čís. 2, s. 4–16. Dostupné online [cit. 2020-10-21]. ISSN 2075-8251. DOI 10.32607/20758251-2019-11-2-4-16. PMID 31413875. (anglicky) 
  23. ↑ CFR - Code of Federal Regulations Title 21. www.accessdata.fda.gov [online]. [cit. 2020-10-21]. Dostupné online. 
  24. ↑ LARANJA, Joseph Leopoldo Q.; BOSSIER, Peter. Poly-Beta-Hydroxybutyrate (PHB) and Infection Reduction in Farmed Aquatic Animals. Příprava vydání Howard Goldfine. Cham: Springer International Publishing (Handbook of Hydrocarbon and Lipid Microbiology). Dostupné online. ISBN 978-3-319-72473-7. DOI 10.1007/978-3-319-72473-7_35-1. S. 1–27. (anglicky) DOI: 10.1007/978-3-319-72473-7_35-1. 
Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Wikipedista:Eliskanova/Pískoviště&oldid=19093560“