Войнов Н.А., Волова Т.Г., Зобова Н.В. Современные проблемы и методы биотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 261

жидкостей с небольшим сроком хранения. Высокий коэффициент диффузии

СО

не позволяет применять бутылки из ПМК для розлива газированных на-

питков и ограничивает области их использования розливом молока, фрукто-

вых 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 со-

вершенствуются. Так, недавно в Японии на основе ПЛ разработали биополи-

мер, способный выдерживать нагревание до 300 °С и выше. Описаны пласти-

ки, полученные из возобновляемого сырья, для разрушения которых не ну-

жен промышленный компостинг – достаточно воздействия воды или солнеч-

ного 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 обыч-

ной свалке – необходимо лишь наличие кислорода, ультрафиолетового излу-

чения 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 производ-

ства полиэтилена из этанола на основе сахарного тростника. По словам пред-

ставителей фирмы, инновационный материал не просто похож на традицион-

ные синтетические пластмассы – он идентичен им. К 2009 г. Braskem планирует

построить завод по производству биополиэтилена мощностью 200 тыс. т в год.

Основным промышленным производителем полилактидов сегодня яв-

ляется предприятие NatureWorks (им владеет компания Cagrill), имеющее за-

вод биополимеров в штате Небраска (США). Это производство эксплуатиру-

ется 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 необхо-

димы дополнительные инвестиции. Их обеспечит японская фирма Teijin, ко-

торая приобрела у компании Cagrill половину акций NatureWorks. Запуск

второй линии и переход на полную мощность (возможно, даже ее превыше-

ние) 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 про-

изводству 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 ре-

шили своевременно занять «место под солнцем». Промышленное предпри-

ятие Hucail в Нидерландах завершает работу по строительству завода, где

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 262

ежегодно будет изготавливаться не менее 50 тыс. т полилактида. В США

сельскохозяйственный концерн ADM совместно с компанией Metabolix пла-

нирует построить производственный комплекс по изготовлению раститель-

ного 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 сы-

рья на основе сахарного тростника) с годовой производительностью в 60 тыс. т.

Согласно проекту, строительство производственного комплекса должно быть

завершено к 2010 г.

–

Помимо полилактидов, перспективными разрушаемыми биопластика-

ми являются полиэфиры алкановых кислот, так называемые полигидроксиал-

каноаты (ПГА) – термопластичные разрушаемые линейные полиэфиры мик-

робиологического происхождения (англоязычная аббревиатура – PHA).

По сравнению с полилактидами, ПГА имеют ряд весьма существенных пре-

имуществ:

– ПГА в отличие от ПМК, получают методом прямой ферментации, их

производство не требует серии технологических этапов (синтез мономеров,

полимеризация, добавление пластификаторов и модифицирующих компо-

нентов) (рис. 5.8

);

– сырьем для синтеза ПГА могут быть сахара, органические кислоты,

спирты, смеси СО

и Н

, продукты гидролиза растительного сырья, промыш-

ленные 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 С

до С

и выше, от высоко-

кристалличных термопластов до резиноподобных эластомеров;

– свойствами ПГА (кристалличность, механическая прочность, темпе-

ратурные характеристики, скорости биораспада) можно управлять, варьируя

в процессе 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 яв-

ляется истинной биологической и происходит клеточным и гуморальным пу-

тями; более того, скоростью деградации ПГА можно управлять.

Биотехнологический процесс получения полимеров этого класса за-

ключается в культивировании штамма-продуцента в жидкой питательной

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 263

среде при постоянной аэрации стерильным воздухом и перемешивании в

специфическом режиме при избытке углеродного субстрата в среде и несба-

лансированном росте, когда процесс синтеза основных (азотсодержащих)

клеточных макромолекул ограничен каким-либо компонентом субстрата.

В качестве продуцента используются штаммы бактерий различных таксоно-

мических групп, характеризующиеся способностью синтезировать полимеры

различной химической структуры и позволяющие использовать разнообраз-

ные субстраты. Важным технологическим свойством данного продуцента яв-

ляется 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 Н

+ СО

+ О

(источником

водорода может быть электролиз воды, при этом одновременно процесс

обеспечивается кислородом, а источником углерода служит экспанзерная уг-

лекислота биохимических производств. В России ведущим коллективом, раз-

рабатывающим технологии синтеза ПГА на различных субстратах, является

Институт биофизики СО РАН, в котором создано первое в РФ опытное про-

изводство 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 анти-

оксидантными и оптическими свойствами, пьезоэлектрическим эффектом и

характеризуются высокой биосовместимостью. Помимо полигидроксибути-

рата, перспективны сополимерные ПГА, которые в зависимости от набора и

соотношения мономеров имеют различные базовые свойства (степень кри-

сталличности, температуры плавления, пластичность, механическую проч-

ность и др.). Интерес к ПГА растет с конца 80-х гг. Это новый класс биораз-

рушаемых и биосовместимых полиэфиров, физико-химические свойства ко-

торых в зависимости от состава могут существенно варьировать.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 264

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 поли-

меры, 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

и С

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 специфиче-

скими ферментными транспортными системами, локализованными в цито-

плазматической мембране или расположенными диффузно внутри клетки.

Вторая фаза, включающая комплекс анаболических и катаболических реак-

ций, конвертирует компоненты в гидроксиацил коэнзим-А, тиоэфир которого

является субстратом для ПГА-синтазы. На третьем этапе ПГА синтаза (клю-

чевой фермент биосинтеза данных полимеров) использует тиоэфиры как суб-

страты 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. Мно-

гие бактерии способны превращать КоА последовательно в ацетацетил

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 265

КоА и далее – в D(-)-3-гидроксибутирил-КоА, дающий начало полигидро-

ксибутирату.

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 возобнов-

ляемого источника энергии и сырья привел стран-участниц OPEC, контроли-

рующих рынок пластмасс, к пониманию необходимости поиска альтернатив-

ных нефтехимическому синтезу полиолефинов способов получения пласти-

ков. В 1976 г. в Великобритании концерн ICI первым развернул коммерче-

ские исследования микробиологического процесса получения полигидрокси-

бутирата 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 – биоразру-

шаемость и биосовместимость, пьезоэлектрические свойства и возможность

использования в качестве источника оптически активных молекул не только

поддерживали, но и усиливали интерес ICI к бактериальному процессу полу-

чения полиоксибутирата, несмотря на то, что нефтяной кризис стал спадать.

В последующие годы интерес к изучению процесса биологического

синтеза полиоксибутирата возрастал. Было установлено, что ПГБ синтезиру-

ется с различными выходами многих прокариотических микроорганизмов

(к настоящему времени их насчитывается свыше 300) с использованием раз-

личных субстратов. Однако для промышленного применения было выделено

всего несколько высокопродуктивных и перспективных микроорганизмов,

эффективно синтезирующих полиоксибутират с использованием ряда суб-

стратов: 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 цито-

плазме в виде включений (гранул), количество и размер когторых зависит от

валового содержания оплимера в клетке (рис. 5.9

). Процесс синтеза и грану-

лообразования ПГА в клетках включает несколько этапов [8

]: растворимая

ПГБ-полимераза (синтаза) взаимодействует с возрастающими концентрация-

ми 3-оксибутирил-КоA в цитоплазме, приводя к праймингу фермента. По ме-

ре роста длины цепи олигомеры далее формируются в мицеллы. Мицеллопо-

добные 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, заключа-

ются в наличии 3-гидоксибутирил-КоA как субстрата и ПГБ-полимеразы.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 266

Рис. 5.9. Клетки Ralstonia eutropha B 5786 из различных фаз роста периоди-

ческой культуры в ходе аккумуляции 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 со-

става. 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 моно-

меры Д(-)-3-оксибутирата, образованные на первом этапе деградации ПГБ,

гидролизуются под действием димер-гидролаз (эстераз) до мономеров. Мо-

номеры 3-оксибутирата превращаются под действием НАД-зависимой окси-

бутиратдегидрогеназы в ацетоацетат. Ацетоацетат вступает в трансферазную

реакцию с сукцинил-КоА, катализируемую тиофоразой (ацетоацетат: сукци-

нил-КоА КоА-трансфераза), в результате которой образуется ацетоацетил-

КоА. Под действием кетотиолазы ацетоацетил-КоА превращается в ацетил-

КоА, который поступает на энергетические и анаболические нужды клетки.

Чистый полигидроксибутират, однако, весьма хрупок и мало устойчив

к растяжению. Недостаточные эластичность и термостабильность ПГБ за-

трудняют процессы его переработки, что ограничивает возможные области

применения. Однако после ПГБ был выделен полимер, свойства которого от-

личались от ранее изученного полигидроксибутирата. Детальный хромато-

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 267

графический анализ показал присутствие в полимере, помимо доминирую-

щей 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 иссле-

дований данных биополимеров. Было обнаружено, что присутствие гидро-

ксивалерата в ПГА существенно влияет на характеристики полимера, снижая

температуру плавления и кристалличность материала, делая его, по сравне-

нию с полигидроксибутиратом, более эластичным, упругим и удобным для

переработки. Изменение соотношения мономеров в ПГА сопровождается

существенными изменениями термомеханических и волоконных свойств ма-

териала.

После этого поиск микроорганизмов, способных синтезировать гетеро-

полимерные ПГА, был широко развернут во многих странах. Достаточно бы-

стро 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 С

. К настоящему мо-

менту 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 раз-

личного химического состава обладают различной структурой и базовыми

физико-химическими свойствами. В Институте биофизики СО РАН синтези-

рован 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

плавления °С

Температура

кристалллиза-

ции,

Модуль

Юнга,

ГПа

Кристалл-

личность,

Прочность

на растяже-

ние, МПа

3ПГБ

179

3,5

3ПГБ/ПГВ:

мол. % ГВ

170

–1

2,9

9 мол. % ГВ

162

–

1,9

14 мол. % ГВ

150

–

1,5

25 мол. % ГВ

137

–

0,7

–

3ПГБ/4ПГБ:

3 мол. % 4 ГБ

166

–7

–

10 мол. % 4ГБ

159

–

64 мол. % 4ГБ

–

90 мол. % 4ГБ

–

100

–

4-ПГБ

–36

149

–

104

3ПГГ/3ПГО

–

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 268

Линейная структура молекул ПГА придает им свойство термопластич-

ности 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 теку-

честь. Данное технологическое свойство имеет большую коммерческую цен-

ность, так как позволяет с использованием различных методов (прессования,

экструзии и др.) получать из ПГА разнообразные изделия и материалы. Сле-

дует 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 газобарьерны-

ми свойствами (например, по отношению к кислороду) и большей устойчи-

востью к ультрафиолету, характеризуются также хорошей водостойкостью

и теплоустойчивостью, 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, ха-

рактерных для ПГА, делает их перспективными для применения в различных

сферах, – медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленно-

сти, сельском и коммунальном хозяйстве, радиоэлектронике и других сферах.

Уже сейчас сферы применения ПГА – самые различные. Предназначе-

ны они, в основном, для изготовления упаковочного материала и тары для

бытовых отходов, пищевой промышленности, косметологии, а также сель-

ского хозяйства. Большой интерес к этим полимерам в настоящее время сло-

жился в США. Хорошие перспективы и широкий рынок изделий из ПГА су-

ществует в косметологии, это получаемые экструзией различной формы фла-

коны, банки, бутыли, контейнеры и коробки. Применяют ПГА для изготов-

ления пишущих ручек, игрушек, спортивных изделий. Отдельные ПГА обра-

зуют прочные гели и латексы. На их основе возможно изготовление клеев,

наполнителей, в т.ч. для стабилизации красителей. Ламинаты ПГА с бумагой

и другими полимерами хорошо зарекомендовали себя для изготовления меш-

ков и пакетов для хранения разрушаемого мусора, а также одноразовой посу-

ды. Такие композиционные материалы быстро разрушаются в компостах и

почве. Расплавами ПГА ламинируют бумагу и картон; производят нетканые

материалы, различные предметы личной гигиены (памперсы, прокладки, сал-

фетки, тампоны и пр.). Полигидроксибутират и его сополимеры с гидроксива-

лератом используют для получения термоплавких адгезивных материалов, а

длинноцепочечные ПГА – в качестве устойчивых при прессовании адгезивов.

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 269

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 необыч-

ные, например, предназначенные для использования в морской воде, где они,

как установлено, подвержены биодеградации. Моножильные крученые нити

из сополимеров ПГБ/ПГВ используются для изготовления рыболовных се-

тей, 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, ис-

пользуются для выращивания морских водорослей. Такие изделия сохраняют

исходные прочностные свойства в течение 3 месяцев, а смеси поликапролак-

тона 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 сель-

ском 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 производст-

во ПГА связано с затратами на углеродсодержащее сырье для выращивания

микроорганизмов, основное внимание уделяется расширению и удешевле-

нию сырьевой базы этого производства. Сырьем для получения ПГА могут

быть самые разные субстраты, обладающие различной степенью восстанов-

ленности, энергосодержанием и стоимостью (табл. 5.4

). В этом списке – ин-

дивидуальные соединения (сахара различной природы, спирты, кислоты, уг-

ГЛАВА 5. БИОТЕХНОЛОГИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ: БИОСИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

5.4. Объемы производства и области применения разрушаемых биопластиков

 Современные проблемы и методы биотехнологии. Учеб. пособие 270

лекислота, углеводороды), а также комплексные субстраты, включающие от-

ходы различных промышленных и сельскохозяйственных производств.

Таблица 5.4

Затраты и стоимость сырья для синтеза полигидроксибутирата

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 гид-

ролизованы 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, загрязняю-

щих окружающую среду.

Такие производства в настоящее время осваивают или планируют ос-

воить практически все развитые страны, однако решающим для начала ши-

рокомасштабного получения и применения ПГА является снижение их стои-

мости. Для этого привлекаются моноуглеродные субстраты (сахара, оргки-

слоты) и отходы ряда производств (производства сахара; пальмового масла,

гидролизаты растительных биомасс). Прогнозные оценки зарубежных экс-

пертов по потенциальной стоимости ПГА в зависимости от типа используе-

мого 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 стои-

мость продукта, что особенно актуально для отечественного рынка вследст-

вие низкого среднего уровня дохода относительно стран Северной Америки,

Западной Европы и Юго-Восточной Азии; направленность их усилий на за-

Субстрат

Стоимость субстра-

та, дол. США /т

Выход поли-

мера, т/т суб-

страта

Стоимость субстрата,

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

0,33

220

Гемицеллюлозные

экстракты

0,20

340