Современные проблемы и методы биотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Биотехнологический способ производства полимеров

1.1 Полигидрокисибутират

1.2 Полигидроксиалканоат

1.3 Полимолочная кислота

2. Преимущества биопластиков

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Синтетические полимеры (нейлон, полиэтилен, полиуретан) совершили революцию в нашем образе жизни, но их применение создает ряд проблем. Во-первых, синтетические полимеры получают из невозобновляемых ресурсов; во-вторых, - применение не разрушаемых в природной среде пластиков и их накопление ведут к загрязнению окружающей среды и создают глобальную экологическую проблему.

В настоящее время для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода: захоронение и утилизация. Захоронение пластмассовых отходов - это «бомба замедленного действия» и перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений. Кроме того, под полигоны и свалки твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается до 10 тыс. га земель, в том числе и плодородных, изымаемых из сельскохозяйственного оборота. Возможные пути сокращения гигантских отходов синтетических пластиков - это утилизация, которую можно разделить на ряд главных направлений: сжигание, пиролиз, рециклизация и переработка.

Однако, как сжигание, так и пиролиз отходов тары и упаковки и вообще пластмасс кардинально не улучшают экологическую обстановку. Более того, сжигание - это дорогостоящий процесс, к тому же еще и приводящий к образованию высокотоксичных, а также супертоксичных (таких, как фураны и диоксины) соединений. Повторная переработка пластмасс в определенной степени решает этот вопрос, но это требует значительных трудовых и энергетических затрат, так как для этого необходимы следующие действия: отбор из бытового мусора пластической тары и упаковки, разделение собранных отходов по виду пластиков, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в новое полимерное изделие.

Переход на новые типы материалов, которые разрушаются в природной среде естественным путем до безвредных продуктов, становится насущной проблемой. Полимеры, получаемые из природного сырья или синтезируемые микроорганизмами (так называемые биополимеры, или биопластики), в отличие от нефтепродуктов, практически не вносят вклад в пополнение парниковых газов и глобальное потепление. Одним из преимуществ использования биоразлагаемых полимеров на биооснове является их способность обновить «углеродный цикл» или «реинкарнацию углерода» (рис. 1). синтетический полимер нефть биопластик

Рис. 1. Цикл углерода полимеров, полученных из нефти, и биополимеров.

Путь возобновляемых ресурсов (пунктирные стрелки); путь ископаемых (невозобновляемых) ресурсов (черные стрелки); путь возобновляемых и невозобновляемых ресурсов (сплошные стрелки).

1. Биотехнологический способ производства полимеров

Биотехнологический способ производства полимеров - получение под воздействием микроорганизмов и ферментов (ферментация). Данным образом получают такие пластики, как полигидроксиалканоат (PHA), полигидрокисибутират (PHB), полигидроксивалерат (PHV), полимолочная кислота (PLA).

1.1 Полигидрокисибутират

Впервые полигидрокисибутират (ПГБ) были идентифицированы французским микробиологом MauriceLemoigne в 1925 г. 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 (Организация стран -- экспортёров нефти), контролирующих рынок пластмасс, к пониманию необходимости поиска альтернативных нефтехимическому синтезу полиолефинов способов получения пластиков. В 1976 г. в Великобритании концерн ICI (ImperialChemicalIndustries) 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 Alcaligeneseutrophus (недавно переименованные в Ralstoniaeutropha), Alcaligeneslatus, азотфиксаторы Azotobactervinelandii, псевдомонадыPseudomonasoleovorans, метилотрофыMethylomonas, Methylobacteriumorganophilum.

1.2 Полигидроксиалканоат

Чистый полигидроксибутират оказался 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 хроматографический анализ показал присутствие в полимере, помимо доминирующей гидроксимасляной кислоты, гидроксивалериановой, гидроксигексановой кислот в качестве минорных компонентов. Это был первый обнаруженный гетерополимерныйполигидроксиалканоат (ПГА).

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 в процессе ферментации состав среды и задавая ту или иную химическую структуру.

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).

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 гидроксиацилкоэнзим-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.

Рис. 2. Потенциальное исходное сырье и этапы производства ПГА.

Вторая фаза -очень существенна для процесса в целом, так как во время нее источник углерода конвертируется в субстраты, необходимые для синтеза ПГА.

В число применений ПГA входят биоразлагаемые упаковочные материалы и формованные товары, нетканые материалы, одноразовые салфетки и предметы личной гигиены, пленки и волокна, связывающие вещества и покрытия, связующие материалы для металлических и керамических порошков, водоотталкивающие покрытия для бумаги и картона.

ПГA в прошлом были слишком дороги для широкого внедрения. Но прилагаются усилия для снижения стоимости полимеров за счет их производства из поддающихся ферментации сахаров, получаемых из сравнительно недорогих источников, например, таких как трава американских прерий.

ПГА могут представлять большой интерес для клинической медицины в связи с их механической прочностью, высокой биосовместимостью и медленной биодеградацией.

1.3 Полимолочнаякислота

Южнокорейские ученые с помощью генетически модифицированных бактерий сумели упростить и удешевить процесс получения экологически чистых синтетических пластмасс, необходимых для потребительских товаров, без использования продуктов нефтепереработки, сообщается в двух статьях, опубликованных в журнале BiotechnologyandBioengineering.

Авторы разработки -- ученые из Корейского высшего института Науки и Технологий и группа разработчиков компании LGChem под руководством профессора Сана Юп Ли (SangYupLee) -- разработали новый метод получения полилактида -- полимера молочной кислоты. Этот полимер уже применяется для производства одноразовой посуды и упаковок, а также в медицинской промышленности, однако его производство до сих пор было сложным и дорогостоящим.

На первой стадии производства полилактида происходит ферментация природного сырья с помощью бактерий без доступа кислорода, в результате которого выделяется молочная кислота. Этот процесс напоминает процедуру сквашивания капусты. На второй стадии, очищенная от примесей, молочная кислота подвергается полимеризации с образованием полилактида.

«Полилактид считается хорошей альтернативой полимерам на основе ископаемых углеводородов, так как является биоразлагаемым и нетоксичным», -- пояснил Ли, слова которого приводит пресс-служба издательства Wiley-Blackwell.

Команда Ли сумела объединить эти два процесса в одном с помощью модификации бактерий E.coli, и тем самым в значительной степени удешевить и упростить получение полилактида.

«Для того, чтобы добиться такого успеха, мы провели генетическое модифицирование бактерий E.coli, изменив не только соотношение вырабатываемых ими биологических молекул, но и структуру их ферментов, благодаря которой выработка бактериями молочной кислоты сопровождается ее полимеризацией», -- добавил Ли.

Авторы публикации полагают, что разработанный ими подход может быть применен и в случае других организмов для производства из возобновляемого сырья самых разных полимеров, не встречающихся в природе, но в то же время, биоразлагаемых и экологически чистых.

PLA часто смешивают с крахмалом для повышения способности к биологическому разложению и рентабельности производства. Тем не менее, эти смеси довольно непрочные, поэтому к ним часто добавляют пластификаторы, такие как глицерин или сорбит для того, чтобы сделать их более эластичными.

PLA обладает ярким блеском и прозрачностью, при некоторых применениях она может составить конкуренцию полистиролу и PET. PLA уже используется в материалах жесткой упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесных продуктов и выпечки. Пленки, изготовленные из этого материала, используются для упаковывания сэндвичей, леденцов и цветов. К числу прочих применений относятся бутылки для воды, соков, молочных продуктов и съедобных масел, формованные с раздувом и вытяжкой. Некоторые производители автомобилей, главным образом компания Toyota в Японии, рассматривают возможности использования PLA и других биоразлагаемых пластмасс в своих будущих автомобилях.

2. Преимущества биопластиков

1. Биоразлагаемая пластмасса не засоряет окружающую среду.Если биоразлагаемый пластик был выброшен на свалку, а не отправлен в переработку, то его естественная переработка займет намного меньше времени. А значит, горы пластика перестанут уродовать территории.

2. Биоразлагаемая пластмасса более экологична.Она производится из биомассы - возобновляемого ресурса, в отличие от нефти, сырья для традиционных полимеров. Биоразлагаемую пластмассу можно изготавливать из любых органических материалов как растительного, так и животного происхождения.

3. Биоразлагаемая пластмасса позволяет сократить выбросы в атмосферу.Добыча сырья не требует разработки месторождений ископаемого топлива, а при производстве практически не выделяется вредных углеродных соединений и парниковых газов.

4. Биоразлагаемая пластмасса проще поддается вторичному использованию.Ее переработка менее энергоемка и более эффективна по сравнению с обычной пластмассой.

5. Биоразлагаемый пластик не токсичен.При производстве традиционных пластмасс выделяется множество токсичных побочных продуктов, которые сохраняются в окружающей среде вплоть до естественного разложения. Новые материалы полностью безопасны в этом отношении.

6. Биоразлагаемые полимеры позволяют преодолеть зависимость от «нефтяной иглы».

Многие страны вынуждены импортировать нефть для производства пластмасс, тем самым впадая в зависимость от других государств.

Заключение

Сочетание способности полимеров к биоразложению и использование для их производства возобновляемых источников сырья дают уникальную возможность полимерным материалам участвовать в природном цикле: пластики, производятся из возобновляемых источников сырья и на конечной этапе возвращаются обратно в природу, как в случае с листком дерева, что падает осенью на землю, а весной служит пищей для ростков растений. Пластики всё ещё требуют человеческого вмешательства, но пропасть, разделяющая их и природный замысел, с каждым разом становится всё меньше и меньше.

Список использованных источников

1. Кржан А.С.Биоразлагаемые полимеры и пластики / А.С. Кржан, И.Т.Осипов / Новые химические технологии. -- 2009. -- № 9. -- 32 c.

2. Современные проблемы и методы биотехнологии [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие/ Н.А. Войнов, Т.Г. Волова, Н.В. Зобова и др.; под науч. ред. Т.Г. Воловой. - Электрон. дан. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

Размещено на Allbest.ru