Polihidroxialcanati
Polihidroxialcanoații (PHA) sunt polimeri, poliesteri termoplastici sintetizați din diferite tipuri de bacterii ( Bacillus , Rhodococcus , Pseudomonas etc.) prin fermentarea zaharurilor sau lipidelor . Aceste materiale sunt biodegradabile și sunt utilizate în producția de bioplastice .
Sunt macromolecule liniare, care, în special în condiții de cultură , cum ar fi absența anumitor nutrienți, cum ar fi azotul , fosforul și sulful , sunt acumulate de bacterii ca sursă de carbon de rezervă, sub formă de granule. Granulele pot atinge concentrații mari, până la 90% din greutatea uscată a masei bacteriene.
Compoziția polihidroxialcanoaților este foarte variată și depinde de tipul de bacterii din care sunt sintetizate și de matricea de cultură. Formula structurală generală este următoarea:
unde n este numărul de grupări CH2, y este numărul de monomeri care pot varia de la 100 la 30.000, iar R este catena laterală.
Gruparea R este o grupare alchil cu un număr de atomi de carbon variind de la 1 la 15, poate fi ramificată sau liniară și conține substituenți de diferite tipuri. Vorbim de polihidroxialcanoați cu lanț scurt, când există 1-5 atomi de carbon, vorbim de polihidroxialcanoați cu lanț mediu , când există 6-14 atomi de carbon. Bacteriile din genul Ralstonia produc polihidroxialcanoați cu lanț lateral scurt, în timp ce Pseudomonas produc polihidroxialcanoați cu lanț lateral mediu .
Marea variabilitate a lanțurilor laterale și a monomerilor conferă acestor materiale o variabilitate mare a caracteristicilor fizice [1] , cu puncte de topire cuprinse între 40 și 180 ° C. De fapt, putem găsi PHA-uri care sunt în esență polimeri termoplastici , cum ar fi polihidroxibutiratul, sau cauciucuri sau elastomeri precum polihidroxioctanoatul.
Proprietățile mecanice și biocompatibilitatea PHA-urilor pot fi, de asemenea, modificate prin topirea acestora, modificarea suprafeței acestora sau combinarea lor cu alți polimeri, enzime și materiale anorganice.
Principalii polihidroxialcanoați produși în natură
Principalele polihidroxialcanoaților sintetizate în natură sunt raportate în tabel, în care R este catena laterală și n numărul CH2 în lanțul liniar de monomer.
| R. | n = 1 | n = 2 | n = 3 | n = 4 |
|---|---|---|---|---|
| H. | poli (3-hidroxipropionat) | poli (4-hidroxibutirat) | poli (5-hidroxivalerat) | |
| CH 3 | poli (3-hidroxibutirat) | poli (4-hidroxivalerat) | poli (5-hidroxihexanoat) | |
| C 2 H 5 | poli (3-hidroxivalerat) | |||
| C 3 H 7 | poli (3-hidroxihexanoat) | |||
| C 5 H 11 | poli (3-hidroxioctanoat) | |||
| C 6 H 13 | poli (6-hidroxidodecanoat) | |||
| C 9 H 19 | poli (3-hidroxidodecanoat) |
Biosinteza
Pentru a produce PHA , o cultură bacteriană, cum ar fi Ralstonia metallidurans , este cultivată într-un substrat adecvat cu substanțe nutritive adecvate pentru ca acesta să se înmulțească rapid. Odată ce populația bacteriană a atins o biomasă bună, compoziția nutrienților este modificată pentru a induce microorganismul să sintetizeze și să acumuleze PHA . În acest fel, randamentul PHA obținut din incluziuni intracelulare poate ajunge la 90% din greutatea uscată a organismului.
Biosinteza PHA este de obicei cauzată de lipsa unor condiții particulare, cum ar fi, de exemplu, lipsa de macroelemente precum fosfor, azot, oligoelemente sau de lipsa de oxigen și, în același timp, de sursa excesivă de surse de carbon.
Acești poliesteri sunt depuși în celule sub formă de granule cu un indice de refracție ridicat. În funcție de microorganism și de condițiile de cultură, se sintetizează homo sau copoliesteri cu acizi hidroxialcanici diferiți. Granulele PHA sunt apoi recuperate prin distrugerea celulelor. [2]
Proprietățile materialelor
Polihidroxialcanoații sunt polimeri termoplastici, pot fi prelucrați cu echipamente convenționale și sunt, în funcție de compoziția lor, ductili și mai mult sau mai puțin elastici și diferă prin proprietățile lor în funcție de compoziția lor chimică (homo sau copoliesteri).
Acestea sunt stabile la UV , spre deosebire de alte tipuri de bioplastice derivate din polimeri, cum ar fi acidul polilactic , și prezintă o permeabilitate redusă a apei. Polihidroxialcanoații sunt solubili în solvenți halogenați, cum ar fi cloroformul sau dicloroetanul . [3] Cristalinitatea poate fi cuprinsă între procente mici sau până la 70%. Lucrabilitatea, rezistența la impact și flexibilitatea se îmbunătățesc cu un procent mai mare de valerat din material.
Dintre polihidroxialcanoați , polihidroxibutiratul (PHB) are proprietăți similare cu polipropilena (PP) și are o bună rezistență la umiditate. Acidul polihidroxibutiric, sintetizat din PHB pur este relativ fragil și rigid, copolimerii PHB, care pot include alți acizi grași, cum ar fi beta-hidroxivaleratul, pot avea în schimb proprietăți elastice.
Notă
- ^ Doi, Y și Steinbuchel, A., Biopolymers , Weinheim, Germania, Wiley-VCH, 2002.
- ^ N. Jacquel, CW Lo, YH Wei, HS Wu, SS Wang, Izolarea și purificarea poli (3-hidroxialcanatului) bacterian , în Biochemical Engineering Journal , vol. 39, nr. 1, aprilie 2008, pp. 15-27, DOI : 10.1016 / j.bej.2007.11.029 .
- ^ N. Jacquel și colab., Solubilitatea polihidroxialcanatului prin experiment și corelații termodinamice , în AlChE J. , vol. 53, nr. 10, 2007, pp. 2704-2714, DOI : 10.1002 / aic.11274 .
Bibliografie
- M. Valera, polihidroxialcanati polimeri biodegradabili ai viitorului? (prima parte) , în Chimie și industrie , iunie 2001, pp. 1-7. Adus 13.12.2012 .
- M. Valera, Polihidroxialcanati polimeri biodegradabili ai viitorului? (a doua parte) ( PDF ) [ link broken ] , în Chimica & Industria , septembrie 2001, pp. 57-60. Adus 13.12.2012 .