Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Современные проблемы и методы биотехнологии

.pdf
Скачиваний:
164
Добавлен:
18.01.2020
Размер:
11.24 Mб
Скачать

ГЛАВА 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