Современные проблемы и методы биотехнологии
.pdfГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
жидкостей с небольшим сроком хранения. Высокий коэффициент диффузии СО2 не позволяет применять бутылки из ПМК для розлива газированных напитков и ограничивает области их использования розливом молока, фруктовых соков, воды, растительного масла.
Сегодня еще рано говорить о массовом потреблении биоразлагаемых полимеров – пока они используются ограниченно, тем не менее масштабы их производства и способы улучшения технологических свойств постоянно совершенствуются. Так, недавно в Японии на основе ПЛ разработали биополимер, способный выдерживать нагревание до 300 °С и выше. Описаны пластики, полученные из возобновляемого сырья, для разрушения которых не нужен промышленный компостинг – достаточно воздействия воды или солнечного света. Канадская компания Cascades создала новую полистирольную упа-
ковку Bioxo на основе TDPA-добавок (Totally Degradable Plastic Additives).Этот упаковочный материал полностью разрушается в течение трех лет на обычной свалке – необходимо лишь наличие кислорода, ультрафиолетового излучения и случайного механического воздействия. Фирма NNZ производит упаковочную пленку для букетов, которую можно закопать в саду, и она не только «самоустранится», но и удобрит почву. Летом 2007 г. бразильская фирма Braskem объявила о скорой коммерциализации технологии производства полиэтилена из этанола на основе сахарного тростника. По словам представителей фирмы, инновационный материал не просто похож на традиционные синтетические пластмассы– он идентичен им. К 2009 г. Braskem планирует построить завод по производству биополиэтилена мощностью 200 тыс. тв год.
Основным промышленным производителем полилактидов сегодня является предприятие NatureWorks (им владеет компания Cagrill), имеющее завод биополимеров в штате Небраска (США). Это производство эксплуатируется лишь на 50 % от заявленной годовой мощности в 140 тыс. т (именно о таком показателе шла речь на открытии предприятия в 2003 г.). Используется только одна из двух производственных линий, а для запуска второй необходимы дополнительные инвестиции. Их обеспечит японская фирма Teijin, которая приобрела у компании Cagrill половину акций NatureWorks. Запуск второй линии и переход на полную мощность (возможно, даже ее превышение) запланированы на конец 2008 – начало 2009 г. NatureWorks – далеко не единственный игрок, намеренный расширить присутствие на рынке.
Компания Cereplast, специализирующаяся на производстве пластичных масс из растительного сырья, объявила, что в 2008 г. в американском штате Индиана заработает ее новый завод мощностью 225 тыс. т в год. Сначала в ограниченных объемах, а к началу 2010 г. предприятие выйдет на полную мощность и, если все сложится по плану, станет крупнейшим в мире по производству биопластмасс. Департамент биотехнологий японской корпорации Toyota разработал опытный завод производительностью 1 тыс. т ПЛ в год. Эксперты компании ожидают, что к 2020 г. производство биодеградирующих пластиков превратится в глобальный бизнес стоимостью 38 млрд дол., и решили своевременно занять «место под солнцем». Промышленное предприятие Hucail в Нидерландах завершает работу по строительству завода, где
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
261 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
ежегодно будет изготавливаться не менее 50 тыс. т полилактида. В США сельскохозяйственный концерн ADM совместно с компанией Metabolix планирует построить производственный комплекс по изготовлению растительного полиэстера PHA мощностью 50 тыс. т. Procter&Gamble Chemicals тоже намерена запустить в Европе производство ферментативного PHA. В Китае уже функционирует завод по производству ПЛ, им управляет компания Tianan. Бельгийский концерн Solvay заявил о намерении инвестировать в производство поливинилхлорида (ПВХ) из биоэтанола (возобновляемого сырья на основе сахарного тростника) с годовой производительностью в 60 тыс. т. Согласно проекту, строительство производственного комплекса должно быть завершено к 2010 г.
5.4.3. Полигидроксиалканоаты– биоразрушаемыеполимерыгидроксипроизводстных алкановыхкислот: синтез, свойства, областиприменения
Помимо полилактидов, перспективными разрушаемыми биопластиками являются полиэфиры алкановых кислот, так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА) – термопластичные разрушаемые линейные полиэфиры микробиологического происхождения (англоязычная аббревиатура – PHA). По сравнению с полилактидами, ПГА имеют ряд весьма существенных преимуществ:
–ПГА в отличие от ПМК, получают методом прямой ферментации, их производство не требует серии технологических этапов (синтез мономеров, полимеризация, добавление пластификаторов и модифицирующих компонентов) (рис. 5.8);
–сырьем для синтеза ПГА могут быть сахара, органические кислоты,
спирты, смеси СО2 и Н2, продукты гидролиза растительного сырья, промышленные отходы производства сахара, пальмового масла, водородсодержащие продукты переработки бурых углей и гидролизного лигнина;
–ПГА – это семейство полимеров различной химической структуры,
образованных мономерами с длиной С-цепи от С4 до С12 и выше, от высококристалличных термопластов до резиноподобных эластомеров;
–свойствами ПГА (кристалличность, механическая прочность, температурные характеристики, скорости биораспада) можно управлять, варьируя
впроцессе ферментации состав среды и задавая ту или иную химическую структуру;
–ПГА подвергаются переработке из различных фазовых состояний (порошки, растворы, гели, расплавы) общепринятыми методами;
–ПГА не гидролизуются в жидких средах, так как деградация ПГА является истинной биологической и происходит клеточным и гуморальным путями; более того, скоростью деградации ПГА можно управлять.
Биотехнологический процесс получения полимеров этого класса заключается в культивировании штамма-продуцента в жидкой питательной
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
262 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
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. В качестве продуцента используются штаммы бактерий различных таксономических групп, характеризующиеся способностью синтезировать полимеры различной химической структуры и позволяющие использовать разнообразные субстраты. Важным технологическим свойством данного продуцента является возможность замены ростового субстрата без существенной замены технологического процесса и оборудования. В качестве ростового субстрата могут использоваться: 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. В России ведущим коллективом, разрабатывающим технологии синтеза ПГА на различных субстратах, является Институт биофизики СО РАН, в котором создано первое в РФ опытное производство этих полимеров, разработана и впервые в биотехнологической практике реализована технология синтеза ПГА на синтез-газе, получаемом из бурых углей КАТЭК, а также газификацией гидролизного лигнина.
Рис. 5.8. Потенциальное исходное сырье и этапы производства ПГА
С ПГА связаны большие надежды, так как помимо термопластичности аналогично полипропилену и полиэтилену, эти биопластики обладают антиоксидантными и оптическими свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и характеризуются высокой биосовместимостью. Помимо полигидроксибутирата, перспективны сополимерные ПГА, которые в зависимости от набора и соотношения мономеров имеют различные базовые свойства (степень кристалличности, температуры плавления, пластичность, механическую прочность и др.). Интерес к ПГА растет с конца 80-х гг. Это новый класс биоразрушаемых и биосовместимых полиэфиров, физико-химические свойства которых в зависимости от состава могут существенно варьировать.
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
263 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
Основные структуры полигидроксиалканоатов можно иллюстрировать следующим образом:
n = 1 R = водород – поли (3-гидроксипропионат),
R= метил – поли (3-гидроксибутират),
R= этил – поли (3-гидроксивалерат),
R = пропил – поли (3-гидроксигексаноат),
R = пентил – поли (3-гидроксиоктаноат),
R = нонил – поли (3-гидроксидодеканоат),
n = 2 R = водород – поли (4-гидроксибутират), n = 3 R = водород – поли (5-гидроксивалерат).
Исходя из длины углеродной цепи гидроксикислот, образующих полимеры, полиоксиалканоаты подразделяют на три основные группы:
–короткоцепочечные (short-chain-length, SCL), состоящие из кислот с длиной углеродной цепи от 3 до 5 углеродных атомов;
–среднецепочечные (medium-chain-length, MCL), в составе которых от 6 до 14 атомов углерода;
–длинноцепочечные (long-chain-length, LCL) с содержанием кислот
С17 и С18.
Данное разделение полимеров на группы базируется на существующем представлении о субстратной специфичности ПГА-синтаз, акцептирующих определенные гидроксикислоты при строительстве полимерной цепи в про-
цессе полимеризации.
Последовательность реакций биосинтеза ПГА следующая: на первом этапе происходит транспорт источника углерода, необходимого для синтеза полимеров, из внешней среды в клетку, который катализируется специфическими ферментными транспортными системами, локализованными в цитоплазматической мембране или расположенными диффузно внутри клетки.
Вторая фаза, включающая комплекс анаболических и катаболических реакций, конвертирует компоненты в гидроксиацил коэнзим-А, тиоэфир которого является субстратом для ПГА-синтазы. На третьем этапе ПГА синтаза (ключевой фермент биосинтеза данных полимеров) использует тиоэфиры как субстраты и катализирует образование эфирных связей между ними при участии КоА. Данное представление не допускает, что ПГА синтаза для образования полимеров также использует другие тиоэфиры гидроксикислот. Вторая фаза– очень существенна для процесса в целом, так как во время нее источник углерода конвертируется в субстраты, необходимые для синтеза ПГА. Многие бактерии способны превращать КоА последовательно в ацетацетил
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
264 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
КоА и далее – в D(-)-3-гидроксибутирил-КоА, дающий начало полигидроксибутирату.
Впервые ПГА были идентифицированы французским микробиологом Maurice Lemoigne в 1925 г. Lemoigne открыл полигидроксибутират (ПГБ), один из самых изученных в настоящее время. Представитель семейства ПГА. ПГБ – термопластик высокой кристаллизации. Интерес к этому материалу появился в связи со следующим обстоятельством, – разразившийся осенью 1973 г. нефтяной кризис и последующий рост цен на нефть как не возобновляемого источника энергии и сырья привел стран-участниц OPEC, контролирующих рынок пластмасс, к пониманию необходимости поиска альтернативных нефтехимическому синтезу полиолефинов способов получения пластиков. В 1976 г. в Великобритании концерн ICI первым развернул коммерческие исследования микробиологического процесса получения полигидроксибутирата на сахаросодержащих субстратах, извлекаемых из растительных биомасс. Но не только возможность синтеза ПГБ из возобновляемого сырья стимулировала и поддерживала эти исследования. Большой интерес вызвало сообщение о том, что бактериальный полигидроксибутират термопластичен аналогично полипропилену. Выявленные другие свойства ПГБ – биоразрушаемость и биосовместимость, пьезоэлектрические свойства и возможность использования в качестве источника оптически активных молекул не только поддерживали, но и усиливали интерес ICI к бактериальному процессу получения полиоксибутирата, несмотря на то, что нефтяной кризис стал спадать.
В последующие годы интерес к изучению процесса биологического синтеза полиоксибутирата возрастал. Было установлено, что ПГБ синтезируется с различными выходами многих прокариотических микроорганизмов (к настоящему времени их насчитывается свыше 300) с использованием различных субстратов. Однако для промышленного применения было выделено всего несколько высокопродуктивных и перспективных микроорганизмов, эффективно синтезирующих полиоксибутират с использованием ряда субстратов: сахаров, метанола, углеводородов, смесей водорода и углекислоты (водородокисляющие бактерии Alcaligenes eutrophus (недавно переименован-
ные в Ralstonia eutropha), Alcaligenes latus, азотфиксаторы Azotobacter vinelandii, псевдомонады Pseudomonas oleovorans, метилотрофы Methylomonas, Methylobacterium organophilum.
Полигидроксибутират и другие ПГА ассоциируются в клеточной цитоплазме в виде включений (гранул), количество и размер когторых зависит от валового содержания оплимера в клетке (рис. 5.9). Процесс синтеза и гранулообразования ПГА в клетках включает несколько этапов [8]: растворимая ПГБ-полимераза (синтаза) взаимодействует с возрастающими концентрациями 3-оксибутирил-КоA в цитоплазме, приводя к праймингу фермента. По мере роста длины цепи олигомеры далее формируются в мицеллы. Мицеллоподобные частицы дают границу раздела фаз с полимеразой, расположенной внутри. Фермент затем быстро продолжает ПОБ синтез, вытесняя большее количество ПГБ в возрастающую гранулу. Авторами установлено также, что минимальные условия, необходимые для активации синтеза ПГБ, заключаются в наличии 3-гидоксибутирил-КоA как субстрата и ПГБ-полимеразы.
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
265 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
Рис. 5.9. Клетки Ralstonia eutropha B 5786 из различных фаз роста периодической культуры в ходеаккумуляции ПОБ: 1– клетки без полимера, 4-часовая культура; 2 – 10-часовая культура, 26 % ПОБ; 3 – 40-часовая культура, 54 % ПОБ; 74-часовая культура, 85 % полимера; данные Т.Г. Воловой [9]
Деполимеразы, вызывающие деструкцию полимера, синтезируются микроорганизмами как внутриклеточно, так и внеклеточно. Внутриклеточная деградация полимера исследована не так детально, как синтез и внеклеточная деградация полимера, хотя этот процесс может играть решающую роль для физиологии бактерий, продукции полимера в клетке, его качественного состава. Гидролиз полимера осуществляется последовательно ферментами ПГА-деполимеразой, (Д)-оксибутират дегидрогеназой и ацетоацетил-КоА- синтазой (кетотиолазой). Продуктом деградации ПОБ являются мономеры, димеры и короткоцепочечные полимеры Д(-)-3-оксибутирата в соотношении 80–85 %, 15–20 % и следовых количествах соответственно. Димеры и мономеры Д(-)-3-оксибутирата, образованные на первом этапе деградации ПГБ, гидролизуются под действием димер-гидролаз (эстераз) до мономеров. Мономеры 3-оксибутирата превращаются под действием НАД-зависимой оксибутиратдегидрогеназы в ацетоацетат. Ацетоацетат вступает в трансферазную реакцию с сукцинил-КоА, катализируемую тиофоразой (ацетоацетат: сукци- нил-КоА КоА-трансфераза), в результате которой образуется ацетоацетилКоА. Под действием кетотиолазы ацетоацетил-КоА превращается в ацетилКоА, который поступает на энергетические и анаболические нужды клетки.
Чистый полигидроксибутират, однако, весьма хрупок и мало устойчив к растяжению. Недостаточные эластичность и термостабильность ПГБ затрудняют процессы его переработки, что ограничивает возможные области применения. Однако после ПГБ был выделен полимер, свойства которого отличались от ранее изученного полигидроксибутирата. Детальный хромато-
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
266 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
графический анализ показал присутствие в полимере, помимо доминирующей гидроксимасляной кислоты, гидроксивалериановой, гидроксигексановой кислот в качестве минорных компонентов. Это был первый обнаруженный гетерополимерный ПГА. Открытие способности микроорганизмов к синтезу гетерополимерных ПГА явилось сильным импульсом для расширения исследований данных биополимеров. Было обнаружено, что присутствие гидроксивалерата в ПГА существенно влияет на характеристики полимера, снижая температуру плавления и кристалличность материала, делая его, по сравнению с полигидроксибутиратом, более эластичным, упругим и удобным для переработки. Изменение соотношения мономеров в ПГА сопровождается существенными изменениями термомеханических и волоконных свойств материала.
После этого поиск микроорганизмов, способных синтезировать гетерополимерные ПГА, был широко развернут во многих странах. Достаточно быстро было установлено, что ряд микроорганизмов в определенных условиях роста, помимо гомогенного полигидроксибутирата, способен синтезировать различные полигидроксиалканоаты, содержащие в качестве мономерных единиц сополимеры ПГБ и других гидроксипроизводных углеводородных кислот, – гидроксивалериановой, гидроксигексановой и т. д., до мономеров, состоящих из углеродных цепей различной длины, до С12. К настоящему моменту описано свыше 100 различных ПГА, однако пока реально получаемые и исследуемые ПГА – это гомогенный полигидроксибутират и сополимеры гидроксибутирата и гидроксивалерата (ПГБ/ПГВ). Выявлено, что ПГА различного химического состава обладают различной структурой и базовыми физико-химическими свойствами. В Институте биофизики СО РАН синтезирован спектр ПГА различной химической структуры и показано, как при этом изменяются физико-химические свойства материала (табл. 5.3).
|
|
|
|
|
|
Таблица 5.3 |
|
|
Свойства полигидроксиалканоатов различного состава |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Полимер |
|
Температура |
Температура |
Модуль |
Кристалл- |
Прочность |
|
|
плавления °С |
кристалллиза- |
Юнга, |
личность, |
на растяже- |
||
|
|
ции, °С |
ГПа |
% |
ние, МПа |
||
|
|
|
|||||
3ПГБ |
|
179 |
2 |
3,5 |
70 |
40 |
|
3ПГБ/ПГВ: |
|
|
|
|
|
|
|
мол. % ГВ |
|
170 |
–1 |
2,9 |
69 |
38 |
|
9 мол. % ГВ |
|
162 |
– |
1,9 |
62 |
37 |
|
14 мол. % ГВ |
|
150 |
– |
1,5 |
56 |
35 |
|
25 мол. % ГВ |
|
137 |
– |
0,7 |
– |
30 |
|
3ПГБ/4ПГБ: |
|
|
|
|
|
|
|
3 мол. % 4 ГБ |
|
166 |
–7 |
– |
45 |
28 |
|
10 мол. % 4ГБ |
|
159 |
– |
– |
– |
24 |
|
64 мол. % 4ГБ |
|
50 |
– |
30 |
– |
17 |
|
90 мол. % 4ГБ |
|
50 |
– |
100 |
– |
65 |
|
4-ПГБ |
|
53 |
–36 |
149 |
– |
104 |
|
3ПГГ/3ПГО |
|
61 |
|
– |
30 |
10 |
|
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
267 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
Линейная структура молекул ПГА придает им свойство термопластичности и изменения прочности (возрастание по направлению растяжения). При нагревании молекулярные цепи в ПГА легко сдвигаются относительно друг друга, в результате этого материал размягчается и приобретает текучесть. Данное технологическое свойство имеет большую коммерческую ценность, так как позволяет с использованием различных методов (прессования, экструзии и др.) получать из ПГА разнообразные изделия и материалы. Следует отметить, что при переработке и прессовании широко используемых в настоящее время многих синтетических пластиков необходимы различные добавки (стабилизаторы, наполнители, красители и пр.). Этого не требуется при переработке ПГА, которые по физико-механическим свойствам сходны с полипропиленом и полистерином, однако обладают лучшими газобарьерными свойствами (например, по отношению к кислороду) и большей устойчивостью к ультрафиолету, характеризуются также хорошей водостойкостью
итеплоустойчивостью, при этом проницаемость водяного пара через них в 3 раза ниже по сравнению с полипропиленом.
Из ПГА возможно получение гибких пленок различной толщины, в том числе полупроницаемых мембран, нитей, нетканых материалов, различных объемных форм (рис. 5.10), а также гелей и клеев. Совокупность свойств, характерных для ПГА, делает их перспективными для применения в различных сферах, – медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве, радиоэлектронике и других сферах.
Уже сейчас сферы применения ПГА – самые различные. Предназначены они, в основном, для изготовления упаковочного материала и тары для бытовых отходов, пищевой промышленности, косметологии, а также сельского хозяйства. Большой интерес к этим полимерам в настоящее время сложился в США. Хорошие перспективы и широкий рынок изделий из ПГА существует в косметологии, это получаемые экструзией различной формы флаконы, банки, бутыли, контейнеры и коробки. Применяют ПГА для изготовления пишущих ручек, игрушек, спортивных изделий. Отдельные ПГА образуют прочные гели и латексы. На их основе возможно изготовление клеев, наполнителей, в т.ч. для стабилизации красителей. Ламинаты ПГА с бумагой
идругими полимерами хорошо зарекомендовали себя для изготовления мешков и пакетов для хранения разрушаемого мусора, а также одноразовой посуды. Такие композиционные материалы быстро разрушаются в компостах и почве. Расплавами ПГА ламинируют бумагу и картон; производят нетканые материалы, различные предметы личной гигиены (памперсы, прокладки, салфетки, тампоны и пр.). Полигидроксибутират и его сополимеры с гидроксивалератом используют для получения термоплавких адгезивных материалов, а длинноцепочечные ПГА– в качестве устойчивых при прессовании адгезивов.
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
268 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
Рис. 5.10. Экспериментальные образцы изделий, полученные в Институте биофизики СО РАН из ПГА (фото Т.Г. Воловой)
ПГА исследуются и внедряются в различные сферы, включая необычные, например, предназначенные для использования в морской воде, где они, как установлено, подвержены биодеградации. Моножильные крученые нити из сополимеров ПГБ/ПГВ используются для изготовления рыболовных сетей, крабовых ловушек, канатов, а также в практике морской аквакультуры. Данные изделия достаточно прочны и в то же время разрушаются в морской воде. Биодеградируемые пленки из «Биопола», покрытые поливинилом, используются для выращивания морских водорослей. Такие изделия сохраняют исходные прочностные свойства в течение 3 месяцев, а смеси поликапролактона с ПГА препятствуют прикреплению водорослей в ходе эксплуатации, тем самым создавая условия для выращивания морской фауны, получения морепродуктов. ПГА имеют широкие перспективы для применения в сельском хозяйстве, это пленочная продукция и емкости для тепличных хозяйств, покрытия семян, удобрений и ядохимикатов и др.
До недавнего времени высокая стоимость ПГА не позволяла применять их достаточно широко, и обоснованными были только специальные сферы (медицина и фармакология). В связи с тем, что до 40 % затрат на производство ПГА связано с затратами на углеродсодержащее сырье для выращивания микроорганизмов, основное внимание уделяется расширению и удешевлению сырьевой базы этого производства. Сырьем для получения ПГА могут быть самые разные субстраты, обладающие различной степенью восстановленности, энергосодержанием и стоимостью (табл. 5.4). В этом списке – индивидуальные соединения (сахара различной природы, спирты, кислоты, уг-
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
269 |
ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков
лекислота, углеводороды), а также комплексные субстраты, включающие отходы различных промышленных и сельскохозяйственных производств.
Таблица 5.4
Затраты и стоимость сырья для синтеза полигидроксибутирата
|
Стоимость субстра- |
Выход поли- |
Стоимость субстрата, |
Субстрат |
мера, т/т суб- |
||
|
та, дол. США /т |
страта |
дол. США /т полимера |
|
|
|
|
Глюкоза |
220–493 |
0,38 |
580–1300 |
Сахароза |
290 |
0,40 |
720 |
Метанол |
110 |
0,18 |
610 |
Этанол |
440 |
0,50 |
880 |
Уксусная кислота |
370–595 |
0,33–0,38 |
1220–1560 |
Декстроза |
360 |
0,33 |
1180 |
Водород |
500 |
1,0 |
500 |
Тростниковый сахар |
200 |
0,33 |
660 |
Меласса |
220 |
0,42 |
520 |
Молочная сыворотка |
71 |
0,33 |
220 |
Гемицеллюлозные |
69 |
0,20 |
340 |
экстракты |
|
|
|
Практически неисчерпаемым источником сырья для крупнотоннажного получения ПГА являются растительные биомассы, образуемые в огромных количествах ежегодно. Отходы различных сельскохозяйственных культур, содержащие полисахариды различной структуры и состава, могут быть гидролизованы с получением спектра водорастворимых сахаров. Среди них – кукурузные и соевые гидролизаты, гидролизаты вегетативной биомассы хлопчатника, целлюлозы, содержащие ксилозу и др. Использование для этих целей промышленных и сельскохозяйственных отходов позволяет решать две задачи, – снижать стоимость ПГА и сокращать объемы отходов, загрязняющих окружающую среду.
Такие производства в настоящее время осваивают или планируют освоить практически все развитые страны, однако решающим для начала широкомасштабного получения и применения ПГА является снижение их стоимости. Для этого привлекаются моноуглеродные субстраты (сахара, оргкислоты) и отходы ряда производств (производства сахара; пальмового масла, гидролизаты растительных биомасс). Прогнозные оценки зарубежных экспертов по потенциальной стоимости ПГА в зависимости от типа используемого сырья, технологии синтеза и объемов производства составляют от 2,9 до 8,3 тыс. дол США/т. Среди факторов, указывающих на то, почему эти фирмы не завоевывают российский рынок, можно указать: высокая стоимость продукта, что особенно актуально для отечественного рынка вследствие низкого среднего уровня дохода относительно стран Северной Америки, Западной Европы и Юго-Восточной Азии; направленность их усилий на за-
Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие |
270 |