Найлон от биотанка
Основна навигация
В клъстера биополимери/биоматериали проектът „Био-базирани полиамиди чрез ферментация“ стартира в началото на 2009 г. Целта е да се използват биотехнологични процеси за производство на суровини, от които химиците от пластмаси искат да разработят полиамиди с нови свойства.
Дамските чорапогащи, шнурове за кайт и дюбели имат едно общо нещо: те са изработени от полиамиди. Технически трезвата дума "полиамид" не само означава истории за успех като тази на найлона, но и материалните мечти на много разработчици на продукти. Пластмасите се произвеждат химически и синтетично и могат да се променят толкова широко, че техните свойства могат да се регулират в много посоки. Така че не е изненадващо, че полиамидите не само се преработват в масово произвеждани стоки като ризи и чорапогащи, но също така са важен материал за зъбни колела, плъзгащи лагери, корпуси и импланти.
Нови свойства чрез нови основни материали
Въпреки че производителите на пластмаси имат почти 75-годишен опит в производството и обработката на полиамиди, те все повече достигат своите граници. Прогресът изисква полиамиди с по-добри свойства, но дългите молекулни вериги не могат да се огъват, изтеглят, притискат или нагряват по желание. За да се разшири обхватът на приложения за полиамиди, трябва да се разработят нови разработки. Найлонът на бъдещето трябва да комбинира свойствата на материала като устойчивост на удар, якост на опън и устойчивост на топлина по начин, който все още не е съществувал. Утрешните полиамиди трябва да бъдат още по-пластични и въпреки това механично стабилни, те трябва постоянно да се противопоставят на влиянията на околната среда и все пак да се чувстват добре.
Тайната на свойствата на полиамида се крие до голяма степен в суровините, от които е направен полиамидът. Или се използват аминокиселини, или разработчиците използват смеси от диамини и дикарбоксилни киселини. И в двата случая основните материали съдържат точно онези функционални групи, които са от съществено значение за реакцията на полимеризация, т.е. химическия синтез на полиамид.
В клъстерния проект „Био-базирани полиамиди чрез ферментация“ партньорите по проекта работят върху биологичния синтез на диамини под ръководството на BASF SE. Сред тях има някои технически интересни варианти, които до момента могат да бъдат произведени само химически и синтетично с големи усилия. Един от най-обещаващите кандидати е диаминопентанът, който изобретателят на найлон Уолъс Каротърс заяви в средата на 30-те години, че притежава много добри свойства. Досега обаче не е успял да се утвърди като основен материал за полимери - просто е бил твърде скъп.
Но напредъкът променя условията. Диаминопентанът отново предизвика интереса на пластмасовата индустрия, тъй като повече от 100 000 тона химически тясно свързана молекула се произвеждат биотехнологично. Говорим за лизин, аминокиселина, която е жизненоважна за хората и животните. Поради това BASF SE и Институтът за биопроцесно инженерство към TU Брауншвайг се посвещават на два основни въпроса: Как биотехнологичното производство на диаминопентан чрез междинен етап на лизин може да бъде икономически реализирано? И: Кои нови полиамиди могат да бъдат получени от диаминопентан?
Ключова точка за метаболизма
За да се използват ефективно микроорганизмите или клетките за производството на основни вещества като диаминопентан, две специализирани дисциплини играят важна роля: системна биология и метаболитно инженерство. Системната биология анализира метаболитните пътища и създава математически модели на материални потоци и метаболизъм - осигурява метаболитно-физиологичната визитна картичка на клетката. Основата за такива модели са данни за генома на организма и механизмите на генната регулация, но също така и показатели за кинетиката на ензимните реакции и концентрациите на веществата.
Например, пътят на синтез на лизин на микроорганизма Corynebacterium glutamicum е анализиран прецизно през последните години. Поне за тази бактерия днес са известни регулиращите винтове на метаболизма на лизина. Преходът от гликолиза към пентозофосфатния път, свързан с него, както и производството на оксалоацетат и аспартат са най-важните ключови моменти.
Метаболитно инженерство
През повечето време метаболитните пътища, които природата е създала, не са идеални за индустриални производствени процеси. Има тесни места, отклонения, странични реакции, задънени улици - фактори, които намаляват добива. Тези възможности за промяна са важни за живота при естествени условия, тъй като създават възможност за организма. В биореактора обаче гъвкавостта е нежелан лукс; всичко, което се брои, са високите нива на производство. Те могат да бъдат постигнати само ако метаболизмът на клетката е модифициран в решаващите точки и фокусиран върху желания продукт. Така нареченото метаболитно инженерство се занимава с тази задача. Той развива метаболизма за измерване.
Следващите два примера показват какво влияние може да окаже метаболитното инженерство върху производственото поведение на организма. При Corynebacterium glutamicum образуването на лизин може да се увеличи с 50 процента, ако генът на ензима пируват карбоксилаза е прекомерно експресиран. Пируват карбоксилазата превръща пирувата, краен продукт на гликолизата, в оксалоацетат. Това от своя страна е важен предварителен етап за синтеза на лизин. Ако обаче генът на пируват карбоксилазата бъде премахнат, синтезът на лизин се разпада.
Учените също така установиха, че могат да подобрят производството на лизин с 40 процента, ако блокират втората стъпка в гликолизата. Те парализираха ензима фосфохексоза изомераза и принудиха клетката да използва клон на метаболизма на захарта - пентозофосфатния път. С тази мярка те намаляват страничните реакции и също така увеличават производството на NADP - молекула, която е от съществено значение за синтеза на лизин.
Отделете досадни придатъци
Тези увеличения в производството на лизин са ценни, но все пак само половината от битката по пътя към нови полиамиди. В края на биотехнологичния процес не трябва да има лизин, а диаминопентан. В сравнение с диаминопентана, лизинът има само един допълнителен придатък, съставен от въглерод и кислород - така наречената карбоксилна група. С правилните модификации в метаболизма на Corynebacterium glutamicum, излишната карбоксилна група вече може да бъде отделена в клетката. С това биотехнолозите се доближиха до голяма стъпка към ферментативното производство на диаминопентан.
От диаминопентан до практически полиамид
Въпреки вече постигнатите успехи, все още остават отворени няколко въпроса, които сега се разглеждат в проекта „Био-базирани полиамиди чрез ферментация“. Целта е да се увеличи добивът на диаминопентан чрез по-нататъшно развитие на наличните в момента методи от системната биология и метаболитното инженерство. След това трябва да се получат практически полиамиди от биотехнологично получения диаминопентан. Партньори по проекта от индустрията за преработка на пластмаси, като Fischerwerke GmbH, но също така и крайни потребители като Robert Bosch GmbH или Daimler AG, ще извършат обширни тестове с новите полиамиди. По този начин участниците вземат предвид всички стъпки във веригата на стойността: от производството на основен материал на биологична основа, през разработването на нови сурови полимери, композити и междинни продукти до крайния продукт в превозни средства, компоненти или играчки.