Nylon z biotank
Hlavná navigácia
V klastri biopolyméry/biomateriály sa začiatkom roka 2009 začal projekt „Polyamidy na báze biomasy fermentáciou“. Cieľom je využiť biotechnologické procesy na výrobu surovín, z ktorých chcú chemici v oblasti plastov vyvinúť polyamidy s novými vlastnosťami.
Dámske pančuchové nohavice, šnúrky a hmoždinky majú jednu spoločnú vlastnosť: sú vyrobené z polyamidov. Odborne triezve slovo „polyamid“ znamená nielen príbehy o úspechu, ako je napríklad nylon, ale aj materiálne sny mnohých vývojárov produktov. Plasty sa vyrábajú chemicky a synteticky a je možné ich meniť tak široko, že ich vlastnosti je možné upraviť v mnohých smeroch. Nie je teda prekvapením, že polyamidy sa nielenže spracúvajú na hromadne vyrábaný tovar, ako sú košele a pančuchy, ale sú tiež dôležitým materiálom pre ozubené kolesá, klzné ložiská, puzdrá a implantáty.
Nové vlastnosti vďaka novým základným materiálom
Aj keď majú výrobcovia plastov takmer 75-ročné skúsenosti s výrobou a spracovaním polyamidov, čoraz viac sa blížia k svojim limitom. Pokrok si vyžaduje polyamidy s lepšími vlastnosťami - dlhé molekulové reťazce však nemožno ľubovoľne ohýbať, ťahať, lisovať alebo zahrievať. S cieľom rozšíriť škálu aplikácií pre polyamidy je potrebné vyvinúť nový vývoj. Nylon budúcnosti by mal kombinovať vlastnosti materiálu, ako je odolnosť proti nárazu, pevnosť v ťahu a tepelná odolnosť, spôsobom, aký doteraz neexistoval. Polyamidy zajtrajška by mali byť ešte lepšie deformovateľné a napriek tomu mechanicky stabilné, mali by vytrvalo odolávať vplyvom prostredia a stále sa cítiť dobre.
Tajomstvo vlastností polyamidu spočíva do veľkej miery v surovinách, z ktorých je vyrobený polyamid. Používajú sa buď aminokyseliny, alebo vývojky používajú zmesi diamínov a dikarboxylových kyselín. V obidvoch prípadoch obsahujú základné materiály presne tie funkčné skupiny, ktoré sú nevyhnutné pre polymerizačnú reakciu, t. J. Chemickú syntézu polyamidu.
V klastrovom projekte „Bioamidy na báze polyamidov fermentáciou“ pracujú partneri projektu na biologickej syntéze diamínov pod vedením spoločnosti BASF SE. Medzi nimi je niekoľko technicky zaujímavých variantov, ktoré sa doteraz dali vyrobiť iba chemicky a synteticky s veľkým úsilím. Jedným z najsľubnejších kandidátov je diaminopentán, o ktorom vynálezca nylonu Wallace Carothers v polovici 30. rokov 20. storočia uviedol, že má veľmi dobré vlastnosti. Doteraz sa však nedokázala presadiť ako základný materiál pre polyméry - bola jednoducho príliš drahá.
Ale pokrok mení podmienky. Diaminopentán opäť vzbudil záujem v plastikárskom priemysle, pretože v súčasnosti sa biotechnologicky vyrába viac ako 100 000 ton chemicky blízko príbuznej molekuly. Hovoríme o lyzíne, aminokyseline, ktorá je nevyhnutná pre ľudí a zvieratá. Spoločnosť BASF SE a Inštitút pre bioprocesné inžinierstvo na TU Braunschweig sa preto venujú dvom ústredným otázkam: Ako je možné ekonomicky realizovať biotechnologickú výrobu diaminopentánu prostredníctvom lyzínu v medzistupni? A: Ktoré nové polyamidy je možné odvodiť z diaminopentánu?
Kľúčový bod metabolizmu
Ak sa majú mikroorganizmy alebo bunky účinne využívať na výrobu základných látok, ako je diaminopentán, zohrávajú dôležitú úlohu dve odborné disciplíny: systémová biológia a metabolické inžinierstvo. Systémová biológia analyzuje metabolické dráhy a vytvára matematické modely materiálových tokov a metabolizmu - poskytuje bunkovo metabolicko-fyziologické vizitky. Základom pre tieto modely sú údaje o genóme organizmu a mechanizmoch regulácie génov, ale aj ukazovatele kinetiky enzýmových reakcií a koncentrácií látok.
Napríklad cesta syntézy lyzínu mikroorganizmu Corynebacterium glutamicum bola v posledných rokoch precízne analyzovaná. Prinajmenšom pre túto baktériu sú dnes známe nastavovacie skrutky metabolizmu lyzínu. Prechod z glykolýzy na pentózofosfátovú cestu s ňou spojenú a výroba oxalacetátu a aspartátu sú najdôležitejšie kľúčové body.
Metabolické inžinierstvo
Metabolické dráhy, ktoré si príroda vytvorila, nie sú väčšinou ideálne pre procesy priemyselnej výroby. Existujú úzke miesta, obchádzky, vedľajšie reakcie, slepé uličky - faktory, ktoré znižujú výnos. Tieto možnosti variácie sú dôležité pre život v prírodných podmienkach, pretože vytvárajú priestor pre organizmus. V bioreaktore je však flexibilita nežiaducim luxusom, záleží iba na vysokej miere výroby. To sa dá dosiahnuť iba vtedy, ak sa metabolizmus bunky v rozhodujúcich bodoch upraví a zameria na požadovaný produkt. Touto úlohou sa zaoberá takzvané metabolické inžinierstvo. Rozvíja metabolizmus na mieru.
Nasledujúce dva príklady ukazujú, aký vplyv môže mať metabolické inžinierstvo na produkčné správanie organizmu. V prípade Corynebacterium glutamicum môže byť tvorba lyzínu zvýšená o 50 percent, ak je nadmerne exprimovaný gén pre enzým pyruvátkarboxylázu. Pyruvátkarboxyláza prevádza pyruvát, konečný produkt glykolýzy, na oxaloacetát. Toto je zase dôležitá predbežná etapa pre syntézu lyzínu. Na druhej strane, ak odstránite gén pyruvátkarboxylázy, syntéza lyzínu sa rozpadne.
Vedci tiež zistili, že môžu zlepšiť produkciu lyzínu o 40 percent, ak zablokujú druhý reakčný krok v glykolýze. Paralyzovali enzým fosfohexóza izomeráza a prinútili bunku použiť vedľajšiu líniu metabolizmu cukrov - pentózofosfátovú cestu. Týmto opatrením znížili vedľajšie reakcie a tiež zvýšili produkciu NADP - molekuly, ktorá je nevyhnutná pre syntézu lyzínu.
Oddeľte nepríjemné prílohy
Tieto zvýšenia produkcie lyzínu sú cenné, ale stále iba polovičné na ceste k novým polyamidom. Na konci biotechnologického procesu by nemal byť lyzín, ale diaminopentán. V porovnaní s diaminopentánom má lyzín iba jednu ďalšiu prílohu tvorenú uhlíkom a kyslíkom - takzvanú karboxylovú skupinu. Pri správnych úpravách v metabolizme Corynebacterium glutamicum sa môže nadbytočná karboxylová skupina odštiepiť v bunke. Vďaka tomu už biotechnológovia prišli o veľký krok bližšie k fermentačnej výrobe diaminopentánu.
Od diaminopentánu po praktický polyamid
Napriek úspechom, ktoré sa už dosiahli, zostáva niekoľko otázok, ktoré sa v súčasnosti riešia v rámci projektu „Bioamidové polyamidy fermentáciou“. Cieľom je zvýšiť výťažok diaminopentánu ďalším vývojom v súčasnosti dostupných metód zo systémovej biológie a metabolického inžinierstva. Z biotechnologicky získaného diaminopentánu sa potom majú vyrobiť praktické polyamidy. Projektoví partneri z odvetvia spracovania plastov, ako je Fischerwerke GmbH, ale aj koneční užívatelia, ako sú Robert Bosch GmbH alebo Daimler AG, uskutočnia s novými polyamidmi rozsiahle testy. Aktéri tak berú do úvahy všetky kroky v hodnotovom reťazci: od výroby základného materiálu na biologickej báze, cez vývoj nových surových polymérov, kompozitov a medziproduktov až po konečný produkt vo vozidlách, súčiastkach alebo hračkách.