Bioplast podle bakteriálního receptu  
Američtí vědci popsali metodu chemické syntézy ekologického polyesteru s vlastnostmi zajímavými pro komerční využití. Mikroorganizmy ho umí produkovat možná již nějakou tu miliardu let, jenže z našeho pohledu jim to jde pomalu a neefektivně.

Kompostovatelná „igelitka“. V přírodě se rozloží. Žel asi nelze doma dlouze skladovat, také se rozpadne. Kredit: Indiamart
Kompostovatelná „igelitka“. V přírodě se rozloží. Žel asi ji ani doma nelze déle skladovat, také se rozpadne. Kredit: Indiamart

Pod pojmem „plast“ si většina z nás představí nějakou „umělou“ hmotu, povětšinou produkt gigantického petrochemického průmyslu. I když ropa je také přírodní – a jiné suroviny vlastně ani nemáme – její zpracování, použití a mnohé produkty z ní celkem oprávněně považujeme za „proti-přírodní“. Nadšení nad dostupností, trvanlivostí a odolností mnohých všudypřítomných plastů střídá obava. V našem jediném, společném životním prostředí jich přibývá nepoměrně rychleji, než jakýkoli přírodní proces je schopen je odbourat. A pokud s daností nám vlastní se nezničíme již částečně odzkoušeným radikálním způsobem, budeme muset i tento stále naléhavější problém řešit. Spoléhat třeba na vratné obaly je nereálné z několika důvodů. Rozumnějším řešením jsou kompostovatelné, tedy biologicky v reálném čase odbouratelné netoxické materiály. Samozřejmě, není to žádná převratná myšlenka, hledáme je již desetiletí a výzkumů s nadějnými výsledky se uskutečnilo také bezpočet. Jenže ta karavana s nákladem petro-plastů kráčí nerušeně dál… Všech bio-plastů se po letech snah a nemalé finanční podpory produkuje přibližně 500krát méně než petro-plastů. Kromě setrvačnosti již zaběhaných výrob a velkoobchodních vztahů hlavními příčinami jsou vyšší finanční náklady na dostatečně rozsáhlou výrobu biodegradovatelných polymerů a často i nedostatek potřebných surovin. Příkladem může být velmi nadějný poly(3-hydroxybutyrát) – P3HB. Produkují ho některé mikroorganizmy (některé bakterie, řasy…) jako záložní zdroj energie, když hrozí zlé časy. Tedy ho dokáží, spolu s některými plísněmi, i hravě rozkládat.

 

Jeden z dvojice autorů publikace, mladá Xiaoyan Tang
Jeden z dvojice autorů publikace, mladá Xiaoyan Tang

Pro nás jsou zajímavé vlastnosti polyhydoxybutyrátů (PHB), mezi které P3HB patří. Tyto přírodní polyestery jsou nerozpustné ve vodě, dostatečně odolné vůči hydrolýze a UV záření. Svou plasticitu si udržují v teplotním rozsahu 2 °C, kdy křehnou a 175 °C, což je teplota tání. Pevností v tahu konkurují polypropylénu. Ve vodě neplavou, klesají do sedimentů na dně, kde je rozloží anaerobní mikroorganizmy. Rozpouštějí je chlorované uhlovodíky, například chloroform, kyseliny a louhy je ničí. Na většinu jednorázových obalů jistě zcela postačující vlastnosti. Proč je tedy nevyužíváme?

 

 

Protože doposud všechny komerčně relevantní snahy, a bylo jich za posledních třicet let několik, skončily neúspěchem. Lze předpokládat, že se větší produkce pomocí bakterií ukázala být neefektivní. Na fermentační výrobě PHB (nebo spíše na oceněních a grantech?) zatím vydělává například neveliká americká firma Metabolix, zaměřena na vývoj různých biodegrovatelných materiálů a produktů z nich. Prý se z PHB vyrábí i vstřebatelné chirurgické nitě. Jimi ale plastový trn z paty civilizace nevytáhneme. A co chemická cesta přípravy polyhydoxybutyrátů z jiných substancí? Není to tak jednoduché. Vlastnosti polymeru totiž závisí od vnitřního uspořádání, jak jsou substituenty navázány na základním řetězci. Když jsou všechny na jeho stejné straně, jde o izotaktický polymer. A takové by měly být i polyhydroxybutyráty.

 

Strukturní vzorec poly(3-hydroxybutyrátu). Vodíkové substituenty (CH3 a O) jsou umístěny na stejné straně základního řetězce. Jde o izotatktický polymer. Zdroj: Wikipedia
Strukturní vzorec poly(3-hydroxybutyrátu). Vodíkové substituenty (CH3 a O) jsou umístěny na stejné straně základního řetězce. Jde o izotatktický polymer. Zdroj: Wikipedia

Nyní chemickou syntézu dokonale izotaktického poly(3-hydroxybutyrátu) popsali v časopisu Nature Communication dva chemikové Coloradské státní university, Xiaoyan Tang a Eugene Y.-X. Chen. Východiskovou látkou jim byl sukcinát – ester acyklické dikarboxylové kyseliny jantarové neboli butandiové. Kdysi se získávala destilací jantaru (odtud název), dnes například fermentací biomasy, nebo přímo glukózy, případně různými chemickými cestami z jiných látek. Jde o levnou, lehce dostupnou látku, jež patří mezi 12 hlavních chemických produktů zpracování biomasy, s nimiž Američané počítají při výrobě bio-plastů (ZDE).

 

 

Důležité je také, že nový způsob chemické syntézy izotaktického poly(3-hydroxybutyrátu) je rychlejší, než to dokáží bakterie, a nabízí tak možnost finančně efektivní, komerčně zajímavé produkce jednoho z nejperspektivnějších biodegradovatelných plastů. Vědci z Colorada si již zažádali o patent na nový typ chemického katalyzátoru, který pro tento účel vyvinuli.

 

Jestli nová metoda jednou překročí brány akademických výzkumáků a vstoupí do světa byznysu? Bůh ví… nebo spíše ani on ne. Nicméně po zkušenostech s osudy bezpočtu podobně nadějně vypadajících výsledků výzkumů je skepse jistě na místě.

 

Originální článek (ZDE):

Xiaoyan Tang & Eugene Y.-X. Chen: Chemical synthesis of perfectly isotactic and high melting bacterial poly(3-hydroxybutyrate) from bio-sourced racemic cyclic diolide

Nature Communication, https://doi.org/10.1038/s41467-018-04734-3 DO - 10.1038/s41467-018-04734-3 ID

doplňkové informace s popisem postupu syntézy ZDE

 

Zdroj: Colorado University News

Datum: 26.06.2018
Tisk článku

Plášť - Hill Joe
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 699 Kč
cena: 608 Kč
Plášť
Hill Joe
Související články:

Bisfenol S dělá z plastů hrozbu pro reprodukci     Autor: Jan Nevoral (28.03.2017)
Bisfenol S podruhé a určitě ne naposled     Autor: Josef Pazdera (03.04.2017)
Dřevo namísto oceli nebo slitin?     Autor: Dagmar Gregorová (20.04.2018)
Upraveným enzymem do boje s PET- odpadem     Autor: Dagmar Gregorová (10.05.2018)



Diskuze:

Robert Sabela,2018-07-06 00:41:38

Dobrý den, Vážení" šílení Vědci"

Odpovědět


Dobrý den!

Josef Hrncirik,2018-07-06 09:01:15

Bakteriální PH3B je pochopitelně přísně stereoregulární, což usnadňuje jeho možnou krystalizaci nutnou pro dobré mechanické vlastnosti; zkrystalování bakteriím při pojídání nikoliv amorfních zrn vadí a mohou si vylámat zuby a vyplivat enzymy. Oproti používanému např. PET je PH3B polárnější a více absorbuje vodu. To přináší větší problémy při zpracování. Voda se vypařuje a prská to, navíc to při vysoké teplotě zpracování hydrolyzuje a padá mol. váha a mech. vlastnosti. Prostě polymer se musí extrémně důkladně sušit a okamžitě zpracovat.
Pokud chtěla Tang připravit polymer s velkou M a regularitou, musela připravit velmi stereospecifický katalyzátor a dávkovat ho ale v minimálním množství. Jako iniciační centrum je totiž potřebováván a při nutných malých koncentracích však polymerace musela běžet i den, ev. se projevovala i jinak katalyzovaná neregulární polymerace.
Pochopitelně je lepší nezačínat si vůbec zbytečně s možnou asymetrií a mít symetrický polymer jako byl PET. Takto musela dělit na isomery monomery, či je regenerovat ze směsi se stále pomalejší polymerace a pak zbytek polymerovat jiným vhodnýmn katalyzátorem.
Prostě chtěla ukázat, že na množství zbytečých problémů Jí nezáleží.

Odpovědět


Re: Dobrý den si z nás dělají!

Josef Hrncirik,2018-07-07 12:09:26

I s polymerací to nepřetržitě kuchtili (okupovali reaktory) cca 5 dnů a jedině Tang ví, jaké plastikářské vlastnosti a odbouratelnost to mělo.
Oproti čistě mikrobiálnímu polymeru to musí být velmi drahé a vyrobit spoustu odpadů.

Odpovědět

Né, 43% byla jen účinnost (výtěžek) rozšíření kruhu oxidací peroxokyselinou. Do polymeru došlo jen ubohých 14% sukcinové kyseliny.

Josef Hrncirik,2018-07-01 20:11:34

Odpovědět

P3HB dokáží bakterie snadno rozkládat, jen když je v mikroskopických zásobních zrnech v buňce, zbotnaný vodou, proložený molekulami bílkovin, nezkrystalizovaný a se snadnou dodávkou hydrolytických enzymů v buňce.

Josef Hrncirik,2018-07-01 20:02:37

Jakmile je izolován a zbaven bílkovin krystalizuje, ztrácí vodu a stává se tvrdým oříškem i pro hladové bestie, které ho musí velmi poslintávat enzymy v prostředí mimo buňku až jim sliny.
Plasticitu si udržují nad teplotou Tg, pokud krystalický podíl není příliš velký.
Pro praktické aplikace je však PH3B příliš křehký a proto bývá používá ve směsi s cca 20% jiných polyhydroxoalkanoátů, aby stupeň krystalizace klesl a vzrostla tažnost.
Polymer s malou krystalinitou je však příliš měkký pro běžné aplikace. Nejlepší je ale bloková kopolymerace stereospecifických tvrdých a měkkých bloků, což bakterie považují za zbytečnost. 10.1080/17518253.2015.1109715
Mladá Xiaoyan Tang ve své 4 stupňové syntéze vycházela z dimetylsukcinátu, který určitě nebyl připraven fermentací, ale drsnou esterifikací v chemické aparatuře a ester jednoduše zakoupila. Možná kyselina jantarová k jeho přípravě byla připravena fermentací. Pochod je však ekonomicky schůdný jen při produkci kyseliny větší než 2,5 g/l.hod, jak se píše v 1. ZDE (tam) vlevo od vzorce PH3B. Metylák do esteru asi nebyl z dřevného lihu, ale z vodky DRAK. Syntézu polymeru tedy nutno považovat za 6-ti stupňovou. 1. stupeň esterifikace metylákem zamlčen. 2. stupeň cyklizace esteru vyžaduje zlikvidovat 2 moly metylátu sodného nakonec 1 molem H2SO4. Źertovný je krok alkylací metyljodidem spotřebovávající potaš ?vylouženou z popela na KI, ze kterého je při cyklické výrobě nutno opět připravit metyljodid. Následuje další stupeň, dekarboxylace varem s H2SO4. Na s. 3-5 mají chybně mmol místo mol. Nejdivočejší je ale rozšíření kruhu oxidací 48 hod peroxokyselinou chlorbenzoovou, kterou by zbabělý ekolog měl také regenerovat. Celkový výtěžek polymeru z původního sukcinátu byl max. 42%, trvalo to nejméně 4 dny aktivního vaření lektvarů bez regenerace zmařených pomocných surovin a připravili jen křehký a nechutný polymer. Pohráli si však s polymerizačními katalyzátory a vyrobili hromadu odpadu.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


















Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace