Синтез биорезорбируемых полимеров. структура и

Введение Синтетические полимерные материалы стали неотъемлемой частью современной жизни, однако их применение создает ряд проблем. Синтетические полимеры получают из невозобновляемых ресурсов, и их накопление ведет к загрязнению окружающей среды и создает глобальную экологическую проблему. Объемы выпуска синтетических пластмасс, главным образом полиоле-финов (полиэтилена и полипропилена), получаемых в процессах нефтеоргсинтеза, огромны и к настоящему моменту приближаются к 300 млн т в год . При этом около 60 % всех пластиков используются для упаковки; до 40 % «упаковочного» пластика расходуется для упаковки продуктов питания и розлива напитков. Основная часть изделий из синтетических пластиков скапливается на свалках, так как повторной переработке в развитых странах подвергается не более 16-20 %. Для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов применяют в основном захоронение и существенно в меньших объемах — утилизацию. Захоронение пластмассовых отходов — это перекладывание проблем на плечи будущих поколений. Сегодня под полигоны и свалки твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается до 10 тыс. га земель, в том числе плодородных, изымаемых из сельскохозяйственного оборота. Помимо глобальной экологической проблемы, необходимость перехода на разрушаемые пластики, получаемые из возобновляемых источников, диктуется экономической ситуацией, так как до 98 % мирового объема полимерных материалов производится из не возобновляемого ископаемого сырья — нефти и газа, запасы которых истощаются. Применение синтетических полимерных материалов из нефти и ее производных — это не только глобальная экологическая проблема и возрастание расходов на их утилизацию, на также и обоснованное беспокойство в связи с негативным влиянием на здоровье населения. Сравнительно недавно установлено, что ряд материалов, используемых, в частности, для производства пластиковых контейнеров, может стать причиной возникновения серьезных заболеваний, включая онкологические. Это связано с использованием бисфенола-A при изготовлении синтетической упаковки. Согласно приблизительным подсчетам, каждый год во всем мире для упаковки пищевых продуктов и напитков производится 2,8 млн т бисфенола. 1 Работа выполнена в рамках мегапроекта «Биотехнологии новых биоматериалов: инновационные биополимеры и изделия для биомедицины» по постановлению Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в Российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (доп. соглашение № 1 от 15.02.2013 г. к договору № 11.G34.31.0013). 28 Радикальным решением проблемы «полимерного мусора», по мнению специалистов , является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты. Именно биораз-лагаемость высокомолекулярных соединений и будет тем приоритетным направлением, которое позволит исключить значительное число проблем «пластмассового мусора», возникающего при использовании полимерной тары и других изделий из полимеров. Синтез разрушаемых биопластиков — актуальные направления исследований Оценка сложившейся ситуации по разработке и освоению биодеградируемых пластиков позволяет выделить три основных направления в этой области: получение пластмасс на основе воспроизводимых природных полимеров, придание биоразлагаемости широко используемым в настоящее время высокомолекулярным синтетическим материалам, синтез биоразрушаемых полимеров. В настоящее время все большее значение приобретают экологически чистые материалы, получаемые из возобновляемого сырья, источником которого служат биомасса растений и продукты микробиологического синтеза (так называемые биополимеры, или биопластики). Разрабатываемые прогнозы наращивания объемов выпуска разрушаемых биопластиков показывают, что к 2020 г. четверть мирового рынка пластмасс может приходиться на биопластики. Среди наиболее перспективных сфер применения разрушаемых биопластиков — легкая и пищевая промышленность, сельское и коммунальное хозяйство (тара, упаковка, одноразовая посуда, одежда, технический текстиль и ткань, детские игрушки, изделия для тепличного и рыборазводного хозяйств, корпуса оргтехники, мобильных телефонов, элементы кузовов автомобилей, мебели и многое другое). Массовое применение биоразрушаемых полимеров сегодня сдерживается относительно высокой ценой по сравнению с синтетическими, получаемыми из нефти, последние дешевле биопластиков в 2,5 и более раз. Однако несколько лет назад этот разрыв был больше на порядок. Конструирование биополимеров за последние десять лет превратилось в одно из основных междисциплинарных исследований. Долгосрочной целью данного направления работ является: 1) поиск и изучение новых биополимеров; 2) разработка научно-практической базы для конструирования биологических систем, синтезирующих полимеры с заданными свойствами, предназначенные для использования в определенных целях. Среди применяемых и активно разрабатываемых в настоящее время новых полимерных материалов — полисахариды, алифатические полиэфиры, полимеры монокарбоновых кислот и др. Лидером по объемам выпуска среди разрушаемых биопластиков сегодня являются полилактиды — полимеры на основе молочной кислоты которую можно получать химическим и биотехнологическим способами. Помимо полилактидов, другим перспективным биопластиком рассматриваются полигидроксиалканоаты (ПГА) — полиэфиры гидроксипроизводных жирных кислот, синтезируемые микроорганизмами. Синтез и потенциал разрушаемых полигидроксиалканоатов Наибольший интерес вызывает в настоящее время новый класс полиэфиров природного происхождения — полимеры гидроксипроизводных жирных кислот, так называемые ПГА, которые синтезируются прокариотическими микроорганизмами в специфических условиях роста. С последними связаны большие надежды, так как, помимо термопластичности, аналогично полипропилену и полиэтилену, ПГА обладают антиоксидантными и оптическими свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и, самое главное, они характеризуются биосовместимостью и биоразрушае-мостью. ПГА не подвержены гидролитическому разрушению в жидких средах; их разрушение -истинное биологическое, так как эти полимеры разрушаются только в биологических средах с образованием безвредных для окружающей среды продуктов: диоксида углерода и воды в аэробных условиях и метана и воды — в анаэробных. Биодеградация ПГА осуществляется под воздействием ферментов тканей и биологических жидкостей высших организмов, а также специализированными почвенными и водными микроорганизмами, обладающими внеклеточными ПГА-деполимеразами . ПГА перспективны для применения в медицине, фармакологии, пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал), сельском хозяйстве (обволакиватели семян, удобрений и пестицидов, разрушаемые пленки, тара для тепличных хозяйств) и др. сферах. В связи с тем, что значительная доля стоимости ПГА приходится на долю исходного сырья, магистральное на Синтез биорезорбируемых полимеров. Структура и свойства 29 правление исследований, определяющее стратегию промышленного производства биопластиков этого класса, в настоящее время связано с возможностями расширения сырьевой базы. С этой целью активно изучают закономерности и эффективность биосинтеза ПГА уже известными организмами с привлечением новых субстратов, продолжают поиск новых природных штаммов-продуцентов и конструируют трансгенные продуценты, способные усваивать различные, в том числе новые субстраты. Для получения полигидроксиалканоатов, в принципе, возможно привлечение разнообразных субстратов. Среди известных — индивидуальные соединения (углекислый газ и водород, сахара, спирты, органические кислоты), отходы спиртовой, сахарной, гидролизной промышленности, производства оливкового и пальмового масла и др. Биотехнологический процесс получения ПГА 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. Водородокисляющие микроорганизмы рассматриваются сегодня в качестве наиболее перспективного продуцента ПГА, так как они способны синтезировать полимеры различного химического строения на различных субстратах и с высокими выходами. В качестве ростового субстрата могут быть использованы: 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); альтернативный субстрат: источник водорода и углерода — синтез-газ, получаемый газификацией углей, при этом источником кислорода служит О2, получаемый с блоков разделения воздуха). Сахара рассматриваются в качестве субстрата для синтеза ПГА различными микроорганизмами. Теоретически возможны затраты сахаров на образование полимера около 2,5 кг/кг; однако реальные затраты составляют до 3,0-3,3 кг/кг (экономический коэффициент 0,3). Водород рассматривается как альтернативный субстрат по отношению к сахарам, но трудности ферментации на газовом субстрате, из-за его взрывоопасности и плохой растворимости, накладывают определенные ограничения на этот субстрат при его рассмотрении применительно к крупнотоннажным процессам. Среди научных коллективов, последовательно исследующих водород как субстрат для биосинтеза ПГА, следует отметить сельскохозяйственный факультет в университете Kyushu (Япония) и лабораторию хемоавтотрофного биосинтеза Института биофизики СО РАН (Россия). В Институте биофизики СО РАН реализованы альтернативные процессы с использованием различных ростовых субстратов; высокой степени чистоты на сахарах для биомедицины; для крупномасштабного применения в качестве разруша мой упаковки, тары — на продуктах переработки гидролизного лигнина, синтез-газе из бурых углей КАТЭК . Свойства полигидрокисалканоатов ПГА — это семейство полиэфиров различной химической структуры, образованных мономерами гидроксипроизводных различных кислот (масляной, валериановой, октановой и др.). В зависимости от длины С-цепи мономеров полигидроксиалканоаты подразделяют на три группы полимеров: короткоцепочечные («short-chain-length», SCL), состоящие из кислот с длиной углеродной цепи от 3-х до 5-ти углеродных атомов; среднецепочечные («medium-chain-length» MCL), в составе которых от 6 до 14 атомов углерода, и длинноцепочечные («long-chain-length» LCL) с содержанием кислот Сі7 и Сі8. Cреди них — материалы с различными свойствами, от высококристалличных термопластов до конструкционных эластомеров . Наиболее изученный представитель семейства ПГА — гомополимер 3-гидроксимасляной кислоты (поли(3-гидроксибутират), П3ГБ) — высококристалличный (степень кристалличности -свыше 70 %) термопласт; недостатком П3ГБ является то, что он не кристаллизуется упорядоченно, его весьма сложно перерабатывать в изделия, которые характеризуются низкой ударной прочностью, жесткостью; их физико-механические свойства ухудшаются во времени. Сополимерные ПГА более перспективны, однако получение полимеров различного химического состава — весьма сложная технологическая задача, решение которой невозможно без фундаментальных знаний о закономерностях структурно-функциональной организации клеточного цикла ПГА и характера зависимости физико-химических свойств полимеров от химического состава. Для синтеза ПГА различного химического строения в качестве источника углерода необходимо использование, по 30 мимо основного ростового субстрата, так называемых субстратов-предшественников, источником которых служат соли кислот различного строения, концентрацию которых следует строго дозировать с учетом токсичности для бактерий. С использованием авторских коллекции штаммов-продуцентов и технологий синтеза в Институте биофизики СО РАН получено семейство ПГА различной химической структуры; с применением современных физико-химических методов исследовано их строения и свойства . Первый тип исследованных полимеров представлен гомополимером 3-гидроксимасляной кислоты; это изотактический полиэфир с регулярными, одинаково ориентированными («head-to-tail») последовательными единицами 3-гидроксимасляной кислоты: x. Второй тип — это сополимеры 3-гидроксимасляной и 3-гидроксивалериановой y кислот; третий тип — сополимеры 3-гидроксимасляной и 3-гидроксигексановой z кислот; четвертый тип — сополимеры 3-гидрокисмасляной и 4-гидро-ксимасляной v кислот. Одним из наиболее важных макроскопических параметров, характеризующих свойства полимеров, является молекулярная масса, так как определяет технологические свойства материала и возможности его переработки. Молекулярная масса ПГА является весьма изменяющимся параметром, величина которого зависит от многих факторов, включая источник углеродного питания для бактерий, длительность культивирования, технику экстракции полимера. Четкой связи между химическим составом ПГА и величинами Мв и Мн не установлено. Разброс данных для образцов П3ГБ и также трех других типов ПГА составил для Мв от 550 до 2000 кДа, Мн — от 260 до 1000 кДа при изменении величины ПД в диапазоне 1,69-3,52; это согласуется с литературными данными. Температурные характеристики ПГА и способность кристаллизоваться в нативном состоянии являются значимыми параметрами, так как определяют термомеханические свойства и, следовательно, возможности переработки из расплавов полимера. У ПГА, аналогично многим полимерным материалам, температура, при которой происходит их деформация, несколько ниже температуры кипения (температурной деградации), поэтому газовое состояние в полимерах не реализуется, и основным видом фазового равновесия в них является конденсированное состояние — кристаллическое, стеклообразное, вязкотекучее и жидкое. Способность ПГА кристаллизоваться определяется внутренними свойствами его цепей и характеризуется температурой кристаллизации (Тс). Во многих полимерах кристаллизация обычно осуществляется, но из-за ряда причин она зачастую захватывает не весь объем материала. Поэтому в большинстве случаев полимеры представляют из себя полукристаллические объекты. Именно к таким полукристаллическим материалам относятся ПГА. Температуры последовательных фазовых переходов определены методом ДСК. Диапазон температуры плавления П3ГБ составил 160-185 оС, при этом собственно Тпл — 176-182 оС. Диапазон термического разложения П3ГБ лежит в интервале 275-280 оС. После повторного нагревания образца его температура плавления снижается, температура кристаллизация при этом остается неизменной. Нагревание полимера до температуры плавления и выдерживание образца при данной температуре в течение 15 мин не оказывало влияния на положение и форму пика плавления. Существенных различий в термическом поведении П3ГБ на воздухе и в атмосфере инертной среды (азот) не выявлено. Это, видимо, связано с тем, что пр