Nylon a biotankból
Fő navigáció
A biopolimerek/bioanyagok klaszterében a „Bio-alapú poliamidok fermentáció útján” projekt 2009 elején kezdődött. A cél biotechnológiai eljárások felhasználásával olyan nyersanyagok előállítása, amelyekből a műanyag vegyészek új tulajdonságokkal rendelkező poliamidokat akarnak kifejleszteni.
A női harisnyanadrágoknak, a sárkányzsinóroknak és a tipliknek egy közös vonása van: poliamidokból készülnek. A műszakilag józan "poliamid" szó nemcsak a sikertörténetek mellett áll, mint például a nejlon, hanem számos termékfejlesztő anyagi álmait is jelenti. A műanyagokat vegyileg és szintetikusan állítják elő, és olyan széles körben változtathatók, hogy tulajdonságaik sok irányban állíthatók. Tehát nem meglepő, hogy a poliamidokat nemcsak tömegtermékké dolgozzák fel, mint például ingek és harisnyanadrágok, hanem a hajtóművek, siklócsapágyak, házak és implantátumok fontos anyaga is.
Új tulajdonságok új alapanyagok révén
Bár a műanyaggyártók csaknem 75 éves tapasztalattal rendelkeznek a poliamidok gyártásában és feldolgozásában, egyre inkább elérik a határaikat. A haladáshoz jobb tulajdonságokkal rendelkező poliamidokra van szükség - de a hosszú molekulaláncokat nem lehet hajlítani, meghúzni, préselni vagy tetszés szerint melegíteni. A poliamidok alkalmazási körének bővítése érdekében új fejlesztéseket kell kidolgozni. A jövő nejlonjának olyan anyagtulajdonságokat kell kombinálnia, mint az ütésállóság, a szakítószilárdság és a hőállóság, olyan módon, amilyen korábban nem volt. A holnapi poliamidoknak még képlékenyebbeknek és mechanikusan stabilaknak kell lenniük, tartósan meg kell dacolniuk a környezeti hatásokkal, és mégis jól érezzék magukat.
A poliamid tulajdonságainak titka nagyrészt azokban az alapanyagokban rejlik, amelyekből a poliamid készül. Vagy aminosavakat, vagy a fejlesztők diaminok és dikarbonsavak keverékét alkalmazzák. Mindkét esetben az alapanyagok pontosan azokat a funkcionális csoportokat tartalmazzák, amelyek elengedhetetlenek a polimerizációs reakcióhoz, vagyis a poliamid kémiai szintéziséhez.
A „Bioalapú poliamidok fermentáció útján” klaszterprojektben a projekt partnerei a diaminok biológiai szintézisén dolgoznak a BASF SE vezetésével. Köztük van néhány technikailag érdekes változat, amelyeket eddig csak nagy erőfeszítésekkel lehetett kémiailag és szintetikusan előállítani. Az egyik legígéretesebb jelölt a diaminopentán, amely a nejlon feltalálója, Wallace Carothers szerint az 1930-as évek közepén nagyon jó tulajdonságokkal rendelkezik. Eddig nem tudta megalapozni magát a polimerek alapanyagaként - egyszerűen túl drága volt.
De a fejlődés megváltoztatja a feltételeket. A diaminopentán ismét felkeltette a műanyagipar érdeklődését, mert biotechnológiailag ma már több mint 100 000 tonna kémiailag szorosan rokon molekula termelődik. A lizinről beszélünk, aminosavról, amely nélkülözhetetlen az emberek és az állatok számára. A BASF SE és a Braunschweig TU Bioprocesszormérnöki Intézete ezért két központi kérdésnek szenteli magát: Hogyan lehet gazdaságosan megvalósítani a diaminopentán biotechnológiai előállítását a közbenső lizinnel? És: Milyen új poliamidok származhatnak a diaminopentánból?
Az anyagcsere kulcsfontosságú pontja
Ha mikroorganizmusokat vagy sejteket akarunk hatékonyan felhasználni olyan alapanyagok előállításához, mint a diaminopentán, két szakterület játszik fontos szerepet: a rendszerbiológia és az anyagcsere-technika. A rendszerbiológia elemzi az anyagcsere útvonalait, és matematikai modelleket hoz létre az anyagáramlásról és az anyagcseréről - ez biztosítja a sejt metabolikus fiziológiai névjegykártyáját. Az ilyen modellek alapja egy organizmus genomjára és a génszabályozás mechanizmusaira vonatkozó adatok, de az enzimreakciók kinetikájára és az anyagkoncentrációkra vonatkozó mutatók is.
Például a ’Corynebacterium glutamicum mikroorganizmus lizinszintézis útját pontosan elemezték az elmúlt években. Legalábbis ennek a baktériumnak a ma ismert lizin metabolizmusának beállító csavarjai. A glikolízisről az ahhoz kapcsolódó pentóz-foszfát útra való áttérés, valamint az oxaloacetát és az aszpartát termelése a legfontosabb kulcskérdés.
Anyagcsere-technika
Legtöbbször a természet által létrehozott anyagcsere útvonalak nem ideálisak az ipari termelési folyamatokhoz. Vannak szűk keresztmetszetek, kitérők, mellékreakciók, zsákutcák - olyan tényezők, amelyek csökkentik a hozamot. Ezek a variációs lehetőségek azért fontosak a természetes körülmények közötti élet szempontjából, mert teret engednek egy szervezetnek. A bioreaktorban azonban a rugalmasság nem kívánatos luxus: csak a magas termelési arány számít. Ezeket csak akkor lehet elérni, ha a sejt anyagcseréje a kritikus pontokon módosul, és a kívánt termékre összpontosul. Az úgynevezett metabolikus mérnöki feladatok ezzel a feladattal foglalkoznak. Fejleszti az anyagcserét a méréshez.
A következő két példa bemutatja, hogy az anyagcsere-tervezés milyen hatással lehet egy szervezet termelési viselkedésére. A Corynebacterium glutamicumban a lizinképződés 50% -kal növelhető, ha a piruvát-karboxiláz enzim génje túlzottan expresszálódik. A piruvát-karboxiláz a glikolízis végtermékét képező piruvátot oxalo-acetáttá alakítja. Ez pedig a lizinszintézis fontos előzetes szakasza. Másrészt, ha eltávolítja a piruvát-karboxiláz gént, a lizinszintézis lebomlik.
A tudósok azt is megállapították, hogy 40 százalékkal javíthatják a lizintermelést, ha blokkolják a glikolízis második reakciólépését. Megbénították a foszfohexóz-izomeráz enzimet, és arra kényszerítették a sejtet, hogy a cukor anyagcseréjének egy ágát - a pentóz-foszfát-utat - használja. Ezzel az intézkedéssel csökkentették a mellékreakciókat és fokozták a NADP - a lizinszintézishez elengedhetetlen molekula - termelését.
Bontsa ki a bosszantó függelékeket
A lizintermelés ezen növekedése értékes, de még mindig csak az új poliamidok felé vezető út fele. A biotechnológiai folyamat végén nem lizinnek, hanem diaminopentánnak kell lennie. A diaminopentánnal összehasonlítva a lizinnek csak egy további függeléke van szénből és oxigénből - egy úgynevezett karboxilcsoport. A Corynebacterium glutamicum anyagcseréjének megfelelő módosításával a karboxilcsoport feleslege már a sejtben elszakadhat. Ezzel a biotechnológusok nagy lépéssel közelebb kerültek a diaminopentán fermentatív előállításához.
A diaminopentántól a praktikus poliamidig
A már elért sikerek ellenére továbbra is megválaszolatlanul marad néhány kérdés, amelyekkel most foglalkozunk a „Bioalapú poliamidok fermentáció útján” projektben. A cél a diaminopentán hozamának növelése a jelenleg rendelkezésre álló módszerek továbbfejlesztésével a rendszerbiológiából és az anyagcseretechnikából. Ezután praktikus poliamidokat kell előállítani a biotechnológiailag előállított diaminopentánból. A műanyagfeldolgozó ipar projektpartnerei, például a Fischerwerke GmbH, de a végfelhasználók, például a Robert Bosch GmbH vagy a Daimler AG is átfogó teszteket végeznek az új poliamidokkal. A szereplők ezért figyelembe veszik az értéklánc minden lépését: az alapanyag biológiai alapú gyártásától kezdve az új nyers polimerek, kompozitok és köztes termékek kifejlesztésén át a járművek, alkatrészek vagy játékok végtermékéig.