Нейлон з біотенку
Головна навігація
У кластері біополімерів/біоматеріалів на початку 2009 року розпочався проект «Поліаміди на біологічній основі шляхом ферментації». Метою є використання біотехнологічних процесів для отримання сировини, з якої хіміки-пластмаси хочуть виробляти поліаміди з новими властивостями.
Жіночі колготки, шнури для зміїв та дюбелі об’єднує одне: вони виготовляються з поліамідів. Технічно тверезе слово "поліамід" означає не лише історії успіху, подібні до нейлонових, але й матеріальні мрії багатьох розробників продуктів. Пластмаси виготовляються хімічно та синтетично, і їх можна варіювати настільки широко, що їх властивості можна регулювати у багатьох напрямках. Тож не дивно, що поліаміди не лише переробляються на масові товари, такі як сорочки та колготки, але також є важливим матеріалом для шестерень, підшипників ковзання, корпусів та імплантатів.
Нові властивості завдяки новим базовим матеріалам
Хоча виробники пластмас мають майже 75-річний досвід у виробництві та переробці поліамідів, вони все більше досягають своїх меж. Прогрес вимагає поліамідів з кращими властивостями, але довгі молекулярні ланцюги не можна згинати, тягнути, пресувати або нагрівати за бажанням. Для того, щоб розширити спектр застосування поліамідів, слід розробити нові розробки. Нейлон майбутнього повинен поєднувати такі властивості матеріалу, як ударостійкість, міцність на розрив і термостійкість, таким чином, як це не існувало раніше. Завтрашні поліаміди повинні бути ще краще деформованими і в той же час механічно стійкими, вони повинні наполегливо боротися з впливами навколишнього середовища і все одно почуватись добре.
Секрет властивостей поліаміду значною мірою криється в сировині, з якої виготовлений поліамід. Або використовуються амінокислоти, або розробники використовують суміші діамінів та дикарбонових кислот. В обох випадках основні матеріали містять саме ті функціональні групи, які є важливими для реакції полімеризації, тобто хімічний синтез поліаміду.
У рамках кластерного проекту «Поліаміди на біологічній основі шляхом ферментації» партнери проекту працюють над біологічним синтезом діамінів під керівництвом BASF SE. Серед них є кілька технічно цікавих варіантів, які дотепер могли вироблятися лише хімічно та синтетично з великими зусиллями. Одним з найбільш перспективних кандидатів є діамінопентан, про який винахідник нейлону Уоллес Каротерс у середині 30-х років сказав, що він має дуже хороші властивості. Однак поки що він не зміг зарекомендувати себе як основний матеріал для полімерів - це було просто занадто дорого.
Але прогрес змінює умови. Діамінопентан знову викликав інтерес у галузі пластмас, оскільки в даний час у біотехнологічному плані виробляється понад 100 000 тонн хімічно близької молекули. Ми говоримо про лізин, амінокислоту, яка є важливою для людини та тварин. Тому BASF SE та Інститут біопроцесорів при ТУ Брауншвейг присвячують себе двома центральними питаннями: Як можна економічно реалізувати біотехнологічне виробництво діамінопентану через лізин на проміжній стадії? І: Які нові поліаміди можна отримати з діамінопентану?
Ключовий момент метаболізму
Для ефективного використання мікроорганізмів або клітин для виробництва таких основних речовин, як діамінопентан, важливу роль відіграють дві спеціалізовані дисципліни: системна біологія та метаболічна інженерія. Системна біологія аналізує метаболічні шляхи та створює математичні моделі матеріальних потоків та метаболізму - вона забезпечує метаболічну фізіологічну візитну картку клітини. В основі таких моделей лежать дані про геном організму та механізми генної регуляції, а також показники кінетики ферментних реакцій та концентрації речовин.
Наприклад, шлях синтезу лізину мікроорганізму Corynebacterium glutamicum був точно проаналізований в останні роки. Принаймні для цієї бактерії сьогодні відомі важелі метаболізму лізину. Перехід від гліколізу до пов'язаного з ним пентозофосфатного шляху та вироблення оксалоацетату та аспартату є найважливішими ключовими моментами.
Метаболічна інженерія
Здебільшого метаболічні шляхи, створені природою, не є ідеальними для промислових виробничих процесів. Є вузькі місця, об’їзні шляхи, побічні реакції, тупикові ситуації - фактори, що знижують урожай. Ці можливості варіації важливі для життя в природних умовах, оскільки вони створюють поле для організму. Однак у біореакторі гнучкість є небажаною розкішшю; важливим є лише високий рівень виробництва. Цього можна досягти лише в тому випадку, якщо метаболізм клітини модифікується у вирішальних точках і орієнтується на бажаний продукт. Цим завданням займається так звана метаболічна інженерія. Він розвиває метаболізм для вимірювання.
Наступні два приклади показують, який вплив може мати метаболічна інженерія на виробничу поведінку організму. У Corynebacterium glutamicum утворення лізину може бути збільшено на 50 відсотків, якщо ген ферменту піруват-карбоксилази надмірно виражений. Піруват-карбоксилаза перетворює піруват, кінцевий продукт гліколізу, в оксалоацетат. Це, у свою чергу, є важливим попереднім етапом синтезу лізину. З іншого боку, якщо видалити ген піруват-карбоксилази, синтез лізину руйнується.
Вчені також виявили, що вони можуть поліпшити вироблення лізину на 40 відсотків, якщо блокують другий етап реакції гліколізу. Вони паралізували фермент фосфогексозоізомеразу і змусили клітину використовувати гілку метаболізму цукру - пентозофосфатний шлях. За допомогою цього заходу вони зменшили побічні реакції, а також збільшили продукцію НАДФ - молекули, необхідної для синтезу лізину.
Відділіть надокучливі придатки
Це збільшення виробництва лізину є цінним, але все-таки лише половина успіху на шляху до нових поліамідів. В кінці біотехнологічного процесу це повинен бути не лізин, а діамінопентан. У порівнянні з діамінопентаном, лізин має лише один додатковий придаток, що складається з вуглецю та кисню - так звану карбоксильну групу. При правильних модифікаціях метаболізму Corynebacterium glutamicum надлишок карбоксильної групи може бути відокремлений в клітині. Завдяки цьому біотехнологи зробили великий крок ближче до ферментативного виробництва діамінопентану.
Від діамінопентану до практичного поліаміду
Незважаючи на вже досягнуті успіхи, залишаються відкритими кілька питань, які зараз розглядаються у проекті «Поліаміди на біологічній основі шляхом бродіння». Метою є збільшення виходу діамінопентану шляхом подальшої розробки наявних в даний час методів із системної біології та метаболічної інженерії. Потім практичні поліаміди повинні бути отримані з біотехнологічно отриманого діамінопентану. Партнери проекту з галузі переробки пластмас, такі як Fischerwerke GmbH, а також кінцеві споживачі, такі як Robert Bosch GmbH або Daimler AG, проведуть великі випробування з новими поліамідами. Таким чином, учасники беруть до уваги всі етапи в ланцюжку створення вартості: від виробництва основного матеріалу на біологічній основі, до розробки нових сирих полімерів, композитів та проміжних продуктів до кінцевого продукту в транспортних засобах, компонентах чи іграшках.