Nylonul din biotanc
Navigare principală
În cadrul grupului Biopolimeri/Biomateriale, proiectul „Poliamide bio-pe bază de fermentare” a început la începutul anului 2009. Scopul este de a utiliza procese biotehnologice pentru a produce materii prime din care chimistii din plastic vor să dezvolte poliamide cu proprietăți noi.
Colanții pentru femei, corzile de zmeu și diblurile au un lucru în comun: sunt fabricate din poliamide. Cuvântul sobru din punct de vedere tehnic „poliamidă” nu înseamnă doar povești de succes precum cele din nylon, ci și pentru visele materiale ale multor dezvoltatori de produse. Materialele plastice sunt fabricate chimic și sintetic și pot fi variate atât de mult încât proprietățile lor pot fi ajustate în mai multe direcții. Așadar, nu este o surpriză faptul că poliamidele nu sunt procesate numai în produse produse în masă, cum ar fi cămăși și colanți, ci sunt, de asemenea, un material important pentru unelte, rulmenți simpli, carcase și implanturi.
Proprietăți noi prin noi materiale de bază
Deși producătorii de materiale plastice au aproape 75 de ani de experiență în fabricarea și prelucrarea poliamidelor, aceștia își ating din ce în ce mai mult limitele. Progresul necesită poliamide cu proprietăți mai bune - dar lanțurile moleculare lungi nu pot fi îndoite, trase, presate sau încălzite după bunul plac. Pentru a extinde gama de aplicații pentru poliamide, trebuie dezvoltate noi dezvoltări. Nylonul viitorului ar trebui să combine proprietățile materialului, cum ar fi rezistența la impact, rezistența la tracțiune și rezistența la căldură într-un mod care nu a existat până acum. Poliamidele de mâine ar trebui să fie și mai maleabile și totuși stabile mecanic, ar trebui să sfideze în permanență influențele mediului și să se simtă bine.
Secretul proprietăților unei poliamide rezidă în mare parte în materialele de bază din care este fabricată o poliamidă. Fie se folosesc aminoacizi, fie dezvoltatorii folosesc amestecuri de diamine și acizi dicarboxilici. În ambele cazuri, materialele de bază conțin tocmai acele grupe funcționale care sunt esențiale pentru reacția de polimerizare, adică sinteza chimică a unei poliamide.
În cadrul proiectului cluster „Poliamide bio-bazate prin fermentare”, partenerii proiectului lucrează la sinteza biologică a diaminelor sub conducerea BASF SE. Printre acestea există câteva variante interesante din punct de vedere tehnic, care până acum nu puteau fi produse decât chimic și sintetic cu mare efort. Unul dintre cei mai promițători candidați este diaminopentanul, pe care inventatorul nylonului, Wallace Carothers, a spus la mijlocul anilor 1930 că are proprietăți foarte bune. Cu toate acestea, până acum nu a reușit să se stabilească ca material de bază pentru polimeri - pur și simplu era prea scump.
Dar progresul schimbă condițiile. Diaminopentanul a stârnit din nou interesul industriei materialelor plastice, deoarece peste 100.000 de tone pe an a unei molecule înrudite chimic sunt acum produse biotehnologic. Vorbim despre lizină, un aminoacid esențial pentru oameni și animale. Prin urmare, BASF SE și Institutul pentru Ingineria Bioproceselor de la TU Braunschweig se dedică la două întrebări centrale: Cum se poate implementa economic producția biotehnologică de diaminopentan prin intermediul lizinei din etapa intermediară? Și: Ce noi poliamide pot fi derivate din diaminopentan?
Metabolismul este cheia
Dacă microorganismele sau celulele vor fi utilizate în mod eficient pentru producerea substanțelor de bază, cum ar fi diaminopentanul, două discipline de specialitate joacă un rol important: biologia sistemelor și ingineria metabolică. Biologia sistemelor analizează căile metabolice și creează modele matematice ale fluxurilor de materiale și ale metabolismului - oferă cartea de vizită fiziologică metabolică a unei celule. Baza pentru astfel de modele sunt datele privind genomul unui organism și mecanismele de reglare a genelor, dar și indicatorii privind cinetica reacțiilor enzimatice și a concentrațiilor de substanță.
De exemplu, calea de sinteză a lizinei a microorganismului Corynebacterium glutamicum a fost analizată cu precizie în ultimii ani. Cel puțin pentru această bacterie, pârghiile metabolismului lizinei sunt cunoscute astăzi. Trecerea de la glicoliză la calea pentozfosfatului cuplată la aceasta și producția de oxaloacetat și aspartat sunt cele mai importante puncte cheie.
Inginerie metabolică
De cele mai multe ori, căile metabolice pe care le-a creat natura nu sunt ideale pentru procesele de producție industrială. Există blocaje, ocoliri, reacții laterale, fundaturi - factori care reduc randamentul. Aceste posibilități de variație sunt importante pentru viața în condiții naturale, deoarece creează posibilități pentru un organism. Cu toate acestea, în bioreactor, flexibilitatea este un lux nedorit; tot ceea ce contează sunt rate de producție ridicate. Acestea pot fi realizate numai dacă metabolismul unei celule este modificat în punctele cruciale și concentrat pe produsul dorit. Așa-numita inginerie metabolică se ocupă de această sarcină. Dezvoltă metabolismul pe măsură.
Următoarele două exemple arată ce influență poate avea ingineria metabolică asupra comportamentului de producție al unui organism. În Corynebacterium glutamicum, formarea lizinei poate fi crescută cu 50% dacă gena enzimei piruvat carboxilază este exprimată excesiv. Piruvatul carboxilază transformă piruvatul, un produs final al glicolizei, în oxaloacetat. La rândul său, aceasta este o etapă preliminară importantă pentru sinteza lizinei. Pe de altă parte, dacă eliminați gena piruvat carboxilazei, sinteza lizinei se descompune.
Oamenii de știință au descoperit, de asemenea, că pot îmbunătăți producția de lizină cu 40% dacă blochează al doilea pas în glicoliză. Au paralizat enzima fosfohexoză izomerază și au forțat celula să utilizeze o linie ramificativă a metabolismului zahărului - calea pentozei fosfat. Cu această măsură, au redus reacțiile secundare și, de asemenea, au crescut producția de NADP - o moleculă esențială pentru sinteza lizinei.
Îndepărtați apendicele enervante
Aceste creșteri ale producției de lizină sunt valoroase, dar totuși doar jumătate din bătălia pe drumul către noi poliamide. La sfârșitul procesului biotehnologic, nu ar trebui să existe lizină, ci diaminopentan. În comparație cu diaminopentanul, lizina are un singur apendice suplimentar alcătuit din carbon și oxigen - așa-numita grupă carboxil. Cu modificările corecte ale metabolismului Corynebacterium glutamicum, excesul de grup carboxil poate fi împărțit în celulă. Cu aceasta, biotehnologii au făcut deja un mare pas mai aproape de producția fermentativă de diaminopentan.
De la diaminopentan până la poliamidă practică
În ciuda succeselor deja obținute, câteva întrebări rămân încă fără răspuns, care sunt acum tratate în cadrul proiectului „Poliamide bio-bazate pe fermentare”. Scopul este de a crește randamentul diaminopentanului prin dezvoltarea în continuare a metodelor disponibile în prezent din biologia sistemelor și ingineria metabolică. Poliamidele practice urmează să fie produse din diaminopentanul obținut biotehnologic. Partenerii de proiect din industria prelucrării materialelor plastice, precum Fischerwerke GmbH, dar și utilizatorii finali precum Robert Bosch GmbH sau Daimler AG, vor efectua teste extinse cu noile poliamide. Actorii iau astfel în considerare toți pașii din lanțul valoric: de la producția biologică a materialului de bază, până la dezvoltarea de noi polimeri bruti, compozite și produse intermediare, până la produsul final în vehicule, componente sau jucării.