Polihidroksialkanoat

Polihidroksialkanoatlar veya PHA'lar, şekerlerin veya lipitlerin bakteriyel fermantasyonu da dâhil olmak üzere, doğada çok sayıda mikroorganizma tarafından üretilen polyesterlerdir.[1] Bakteriler tarafından üretildiklerinde, hem enerji kaynağı hem de karbon deposu görevi görürler. Son derece farklı özelliklere sahip malzemeler elde etmek için bu aile içinde 150'den fazla farklı monomer birleştirilebilir.[2] Bu plastikler biyobozunurdur ve biyoplastik üretiminde kullanılır.

Poli-(R)-3-hidroksibütirat (P3HB), bir polihidroksialkanoat

P3HB, PHV ve onların kopolimer PHBV kimyasal yapısı

Erime noktaları 40 ile 180 °C arasında olan termoplastik veya elastomerik malzemeler olabilirler.

PHA'nın mekanik özellikleri ve biyouyumluluğu aynı zamanda, yüzeyi daha da karıştırmak, modifiye etmek veya PHA'yı diğer polimerler, enzimler ve inorganik malzemelerle birleştirmek suretiyle değiştirilebilir, böylece daha geniş bir uygulama alanı için bunu mümkün kılar.[3]

Biyosentezi

Bazı Bacillus subtilis bakteri suşları polihidroksialkanoat üretmek için kullanılabilir.

PHA üretmek için Cupriavidus necator gibi bir mikro organizma kültürü uygun bir ortama yerleştirilir ve hızlı bir şekilde çoğalabilmesi için uygun besinlerle beslenir. Popülasyon önemli bir seviyeye ulaştığında, mikroorganizmayı PHA'yı sentezlemeye zorlamak için besin bileşimi değiştirilir. Hücre içi granül inklüzyonlarından elde edilen PHA'nın verimi, organizmanın kuru ağırlığının %80'i kadar yüksek olabilir.

PHA'nın biyosentezi, genellikle belirli eksiklik koşullarından (örneğin, fosfor, azot, iz elementler veya oksijen eksikliği gibi makro elementlerin eksikliği) ve aşırı karbon kaynağı arzı nedeniyle ortaya çıkar.[4]

Polyesterler, hücrelerde oldukça kırıcı granüller formunda depolanır. Mikroorganizmaya ve ekim koşullarına bağlı olarak, farklı hidroksialkanik asitlere sahip homo- veya kopolyesterler üretilir. PHA granülleri daha sonra hücrelerin parçalanmasıyla geri kazanılır.[5] Rekombinant Bacillus subtilis str. pBE2C1 ve Bacillus subtilis str. pBE2C1AB, polihidroksialkanoatların (PHA) üretiminde kullanılmıştır ve malt atıklarını, PHA üretiminin düşük maliyeti için karbon kaynağı olarak kullanabilecekleri gösterilmiştir.

PHA sentazları, PHA biyosentezinin anahtar enzimleridir. Koenzim A - tioester (r)-hidroksi yağ asitlerinin substratları olarak kullanılır. İki PHA sentaz sınıfı, kısa veya orta zincir uzunluğundaki hidroksi yağ asitlerinin spesifik kullanımında farklılık gösterir.

Elde edilen PHA iki tiptedir:

• Üç ile beş karbon atomu içeren kısa zincir uzunluklarına sahip hidroksi yağ asitlerinden poli (HA SCL), Cupriavidus necator ve Alcaligenes latus (PHB) dâhil olmak üzere çok sayıda bakteri tarafından sentezlenir.
• 6 ile 14 karbon atomu içeren orta zincir uzunluklarına sahip hidroksi yağ asitlerinden poli (HA MCL), örneğin Pseudomonas putida ile yapılabilir.

Aeromonas hydrophila ve Thiococcus pfennigii dâhil olmak üzere birkaç bakteri, yukarıdaki iki tip hidroksi yağ asidinden kopolyesteri sentezler veya en azından bu sentezin bir parçası olabilen enzimlere sahiptir.

Toprak organizmalarının yardımı ile daha da büyük ölçekli bir sentez yapılabilir. Azot ve fosfor eksikliği nedeniyle, her üç kilogram şeker için bir kilogram PHA üretirler.

En basit ve en yaygın şekilde ortaya çıkan PHA formu, 1000 ila 30000 hidroksi yağ asidi monomerinden oluşan poli-beta-hidroksibütirat (poli-3-hidroksibütirat, P3HB) fermantatif üretimidir.

Endüstriyel üretim

PHA'nın endüstriyel üretiminde, polyester, şeker veya glukozun mikrobiyal fermantasyon koşullarını optimize ederek bakterilerden çıkarılır ve saflaştırılır.

1980'lerde Imperial Chemical Industries, "Biopol" olarak adlandırılan fermantasyon yoluyla elde edilen poli(3-hidroksibütirat-ko-3-hidroksivalerat) geliştirmiştir. "Biopol" adı altında satılmış ve ABD'de Monsanto ve daha sonra Metabolix tarafından dağıtılmıştır.[6]

Fermantasyon için ham madde olarak, glukoz ve sukroz gibi karbonhidratlar kullanılabilir, fakat ayrıca biyodizel üretiminden elde edilen bitkisel yağ veya gliserin kullanılabilir. Endüstri araştırmacıları, bakterilerden PHA sentez yollarını eksprese eden ve böylece dokularında enerji depolaması olarak PHA üreten transgenik ürünlerin geliştirileceği yöntemler üzerinde çalışmaktadır. Birçok şirket, start-up Micromidas ve Veolia bağlı kuruluşu Anoxkaldnes de dâhil olmak üzere atık sudan PHA üretme yöntemleri geliştirmek için çalışmaktadır.[7][8]

PHA'lar esas olarak enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve ekstrüzyon kabarcıkları yoluyla filmlere ve içi boş gövdelere işlenmektedir.

Madde özellikleri

PHA polimerleri termoplastiktir, geleneksel işleme ekipmanında işlenebilir ve kompozisyonlarına bağlı olarak sünek ve daha fazla veya daha az elastiktir. Kimyasal bileşimlerine göre (homo- veya kopolyester, hidroksi yağ asitleri içeren) özelliklerinde farklılık gösterir.

Polilaktik asit, kısmi ca. gibi polimerlerdeki diğer biyoplastiklerin aksine 180 °C'ye kadar olan sıcaklıklarda UV dayanıklıdır ve su geçirgenliği düşüktür. Kristallik, birkaç ila %70 aralığında olabilir. İşlenebilirlik, darbe dayanıklılığı ve esneklik, malzemedeki valeratın daha yüksek bir yüzde değerine sahip olarak iyileşir. PHA'lar kloroform, diklorometan veya dikloroetan gibi halojenli çözücüler içinde çözünür.[9]

PHB, malzeme özelliklerinde polipropilene (PP) benzer, nem ve aroma bariyer özelliklerine karşı iyi bir dirence sahiptir. Saf PHB'den sentezlenen polihidroksibütirik asit, nispeten kırılgan ve katıdır. Beta-hidroksivalerik asit gibi başka yağ asitlerini içerebilen PHB kopolimerleri elastik olabilir.

Uygulamaları

• 
  Poli-3-hidroksivalerat (PHV) yapısı
• 
  Poli-4-hidroksibütirat (P4HB) yapısı

Biyolojik olarak parçalanabilirliği ve yeni özelliklere sahip biyoplastikler oluşturma potansiyeli nedeniyle, PHA bazlı malzemelerin kullanımını geliştirmek için büyük ilgi vardır. PHA, fosil olmayan yakıt kaynaklarından plastik oluşturmak için bir araç olarak yeşil ekonomiye uyar. Ayrıca Pseudomonas putida bakterileri kullanılarak plastik atığın (örneğin polietilen tereftalat ve poliüretan) "geri dönüştürülmesiyle" PHA'ya dönüştürülmesi için aktif araştırmalar yapılmaktadır.[10]

PHBV (poli (3-hidroksibütirat-ko-3-hidroksivalerat)) olarak adlandırılan bir PHA kopolimeri daha az sert ve daha dayanıklıdır ve ambalaj malzemesi olarak kullanılabilir.

haziran 2005'te bir ABD şirketi (Metabolix, Inc.), PHA'lar üretmek için uygun maliyetli bir yöntem geliştirmeleri ve ticarileştirilmelerindan dolayı ABD Başkanlık Yeşil Kimya Mücadele Ödülü'nü (küçük işletme kategorisi) aldı.

Mikroorganizmaların tıbbi ve farmasötik endüstrilerinde ürettikleri, özellikle de biyolojik olarak parçalanabilirliklerinden dolayı PHA için potansiyel uygulamalar vardır.[2]

Fiksasyon ve ortopedik uygulamalar arasında dikişler, dikiş sabitleyiciler, menisküs tamir cihazları, perçinler, zımbalar, vidalar (girişim vidaları dâhil), kemik plakaları ve kemik kaplama sistemleri, cerrahi ağ, onarım yamaları, sapanlar, kardiyovasküler yamalar, ortopedik pimler (kemik takviye malzemesi dâhil), adezyon bariyerleri, stentler, kılavuzlu doku onarımı / rejenerasyon cihazları, eklem kıkırdak onarımı cihazları, sinir kılavuzları, tendon tamir cihazları, atriyal septal defekt tamir cihazları, perikardiyal yamalar, kabarma ve dolum maddeleri, damar kapakçıkları, kemik iliği iskeleleri, menisküs rejenerasyon cihazları, ligament ve tendon greftleri, oküler hücre implantları, spinal füzyon kafesleri, kemik dübelleri, yara sargıları ve hemostatlar yer alır.[11]

Kaynakça

1. Lu, Jingnan; Tappel, Ryan C.; Nomura, Christopher T. (5 Ağustos 2009). "Mini-Review: Biosynthesis of Poly(hydroxyalkanoates)". Polymer Reviews. 49 (3). ss. 226-248. doi:10.1080/15583720903048243. ISSN 1558-3724.
2. Doi, Yoshiharu; Steinbuchel, Alexander (2002). Biopolymers. Weinheim, Almanya: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-30225-3.
3. Michael, Anne John (12 Eylül 2004). "Polyhydroxyalkanoates for tissue engineering". 28 Ocak 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 15 Kasım 2019.
4. Kim, Y. B.; Lenz, R. W. (2001). "Polyesters from microorganisms". Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Cilt 71. ss. 51-79. doi:10.1007/3-540-40021-4_2. ISBN 978-3-540-41141-3. ISSN 0724-6145. PMID 11217417.
5. Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wei, Yu-Hong; Wu, Ho-Shing; Wang, Shaw S. (2008). "Isolation and purification of bacterial poly(3-hydroxyalkanoates)". Biochemical Engineering Journal. 39 (1). ss. 15-27. doi:10.1016/j.bej.2007.11.029.
6. Ewa Rudnik (3 Ocak 2008). Compostable Polymer Materials. Elsevier. s. 21. ISBN 978-0-08-045371-2. Erişim tarihi: 10 Temmuz 2012.
7. Martin Lamonica (27 Mayıs 2010). "Micromidas to test sludge-to-plastic tech". CNET. 4 Mart 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Ekim 2015.
8. Seb Egerton-Read (9 Eylül 2015). "A New Way to Make Plastic". Circulate. 20 Ekim 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 23 Ekim 2015.
9. Jacquel, Nicolas; Lo, Chi-Wei; Wu, Ho-Shing; Wei, Yu-Hong; Wang, Shaw S. (2007). "Solubility of polyhydroxyalkanoates by experiment and thermodynamic correlations". AIChE Journal. 53 (10). ss. 2704-14. doi:10.1002/aic.11274.
10. "Homepage - P4SB". www.p4sb.eu (İngilizce). 15 Kasım 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Ekim 2017.
11. Chen, Guo-Qiang; Wu, Qiong (2005). "The application of polyhydroxyalkanoates as tissue engineering materials". Biomaterials. 26 (33). ss. 6565-78. doi:10.1016/j.biomaterials.2005.04.036. PMID 15946738.

Daha fazla okuma

• Mohapatra, S.; Sarkar, B.; Samantaray, D. P.; Daware, A.; Maity, S.; Pattnaik, S.; Bhattacharjee, S. (2017). "Bioconversion of fish solid waste into PHB using Bacillus subtilis based submerged fermentation process". Environmental Technology. 38 (24). ss. 1-8. doi:10.1080/09593330.2017.1291759. PMID 28162048.
• Mohapatra, Swati; Maity, Sudipta; Dash, Hirak Ranjan; Das, Surajit; Pattnaik, Swati; Rath, Chandi Charan; Samantaray, Deviprasad (Aralık 2017). "Bacillus and biopolymer: Prospects and challenges". Biochemistry and Biophysics Reports. Cilt 12. ss. 206-13. doi:10.1016/j.bbrep.2017.10.001. PMC 5651552 $2. PMID 29090283.