Најлон од био-резервоарот
Главна навигација
Во групата биополимери/биоматеријали, проектот „Био-базирани полиамиди преку ферментација“ започна на почетокот на 2009 година. Целта е да се користат биотехнолошки процеси за производство на суровини од кои хемичарите од пластика сакаат да развијат полиамиди со нови својства.
Women'sенските хулахопки, змејови и д dowли имаат едно нешто заедничко: тие се направени од полиамиди. Технички трезниот збор „полиамид“ не само што се залага за успешни приказни како онаа за најлон, туку и за материјалните соништа на многу развивачи на производи. Пластиките се произведуваат хемиски и синтетички и можат да се разликуваат толку широко што нивните својства можат да се прилагодат во многу насоки. Затоа, не е изненадување што полиамидите не се преработуваат само во масовно произведени добра како што се кошули и хулахопки, туку се и важен материјал за запчаници, обични лежишта, куќишта и импланти.
Нови својства преку нови основни материјали
Иако производителите на пластика имаат скоро 75 години искуство во производството и преработката на полиамиди, тие сè повеќе ги достигнуваат своите граници. Напредокот бара полиамиди со подобри својства - но долгите молекуларни ланци не можат да се свиткаат, влечат, притискаат или загреваат по своја волја. Со цел да се прошири опсегот на апликации за полиамиди, мора да се направат нови случувања. Најлонот на иднината треба да комбинира својства на материјалот, како што се отпорност на удар, цврстина на истегнување и отпорност на топлина на начин што претходно не постоел. Полиамидите од утре треба да бидат уште податливи и сепак механички стабилни, тие треба упорно да им пркосат на влијанијата на животната средина и сепак да се чувствуваат добро.
Тајната на својствата на полиамид главно лежи во суровините од кои се произведува полиамид. Или се користат аминокиселини или развивачите користат мешавини на диамини и дикарбоксилни киселини. Во двата случаи, основните материјали ги содржат токму оние функционални групи кои се неопходни за реакцијата на полимеризација, т.е. хемиската синтеза на полиамид.
Во проектот за кластери „Био-базирани полиамиди преку ферментација“, партнерите на проектот работат на биолошка синтеза на дијамини под водство на BASF SE. Меѓу нив има неколку технички интересни варијанти кои до сега можеа да се произведат само хемиски и синтетички со голем напор. Еден од најперспективните кандидати е диаминопентан, за кој пронаоѓачот на најлон, Валас Каротерс, рече во средината на 1930-тите дека има многу добри својства. Досега, сепак, не беше во можност да се етаблира како основен материјал за полимери - едноставно беше прескап.
Но, напредокот ги менува условите. Диаминопентанот повторно го разбуди интересот на индустријата за пластика бидејќи повеќе од 100.000 тони хемиски тесно поврзана молекула сега се произведува биотехнолошки. Зборуваме за лизин, аминокиселина која е неопходна за луѓето и животните. Затоа, БАСФ СЕ и Институтот за инженерство за биопроцеси при ТУ Брауншвајг се посветуваат на две централни прашања: Како може економски да се спроведе биотехнолошко производство на диаминопентан преку лизин во средна фаза? И: Кои нови полиамиди можат да се добијат од диаминопентан?
Клучна точка на метаболизмот
Доколку микроорганизмите или клетките треба ефикасно да се користат за производство на основни супстанции како што се диаминопентан, две специјализирани дисциплини играат важна улога: биологија на системи и метаболички инженеринг. Системската биологија ги анализира метаболичките патеки и создава математички модели на проток на материјал и метаболизам - тоа ја обезбедува метаболичката физиолошка картичка на клетката. Основата за ваквите модели се податоци за геномот на организмот и механизмите за регулирање на генот, но исто така и индикатори за кинетиката на ензимските реакции и концентрациите на супстанциите.
На пример, патеката за синтеза на лизин на микроорганизмот 'Corynebacterium glutamicum е прецизно анализирана во последниве години. Барем за оваа бактерија, денес се познати завртките за прилагодување на метаболизмот на лизин. Транзицијата од гликолиза во патот на пентозен фосфат поврзана со неа и производството на оксалоацетат и аспартат се најважните клучни точки.
Метаболичко инженерство
Поголемиот дел од времето, метаболичките патеки што ги создала природата не се идеални за процесите на индустриско производство. Постојат тесни грла, заобиколувања, несакани реакции, ќорсокаци - фактори кои го намалуваат приносот. Овие можности на варијација се важни за животот во природни услови, бидејќи тие создаваат опсег за еден организам. Во биореакторот, сепак, флексибилноста е непожелен луксуз; се што смета е висока стапка на производство. Овие можат да се постигнат само ако метаболизмот на клетката е изменет во клучните точки и се фокусира на посакуваниот производ. Таканаречениот метаболички инженеринг се занимава со оваа задача. Го развива метаболизмот за да се измери.
Следните два примери покажуваат какво влијание може да има метаболичкиот инженеринг врз производственото однесување на организмот. Кај Corynebacterium glutamicum, формирањето на лизин може да се зголеми за 50 проценти ако е претерано изразен генот за ензимот пируват карбоксилаза. Пируват карбоксилазата го претвора пируватот, краен производ на гликолизата, во оксалоацетат. Ова пак е важна прелиминарна фаза за синтеза на лизин. Од друга страна, ако го отстраните генот за пируват карбоксилаза, синтезата на лизин се распаѓа.
Научниците исто така откриле дека можат да го подобрат производството на лизин за 40 проценти доколку го блокираат вториот чекор на реакција во гликолизата. Тие го парализираа ензимот фосфохекоза изомераза и ја принудија клетката да користи гранка на метаболизмот на шеќерот - патеката на пентозен фосфат. Со оваа мерка, тие ги намалија несаканите реакции и исто така го зголемија производството на NADP - молекула која е неопходна за синтеза на лизин.
Разделете ги досадните додатоци
Овие зголемувања на производството на лизин се вредни, но сепак се работи само за половина од битката на патот кон нови полиамиди. На крајот на биотехнолошкиот процес, не треба да има лизин, туку диаминопентан. Во споредба со диаминопентан, лизин има само еден дополнителен додаток составен од јаглерод и кислород - таканаречена карбоксилна група. Со правилни модификации во метаболизмот на Corynebacterium glutamicum, вишокот карбоксилна група може да се подели во клетката. Со ова, биотехнолозите дојдоа на голем чекор поблиску до ферментативното производство на диаминопентан.
Од диаминопентан до практичен полиамид
И покрај веќе постигнатите успеси, некои прашања сè уште остануваат отворени, со кои сега се работи во проектот „Био-базирани полиамиди преку ферментација“. Целта е да се зголеми приносот на диаминопентан преку понатамошно развивање на моментално достапните методи од системите за биологија и метаболичко инженерство. Практичните полиамиди потоа треба да се произведат од биотехнолошки добиениот диаминопентан. Проектните партнери од индустријата за обработка на пластика, како што е Фишерверке ГмбХ, но и крајните корисници како Роберт Бош ГмбХ или Дајмлер АГ ќе извршат обемни тестови со новите полиамиди. Актерите на тој начин ги земаат предвид сите чекори во синџирот на вредности: од био-базираното производство на основниот материјал, преку развој на нови сурови полимери, композити и средни производи до крајниот производ во возилата, компонентите или играчките.