Доктор Оливер П. Пиплз, главный научный сотрудник, вице-президент компании по исследованиям и разработкам. - Как осуществляется производство биопластмассы?
Согласно двум существующим общим подходам, полигидроксиалканоаты (ПГА) могут быть получены на микробиологическом производстве или выработаны из продукции растениеводства. В настоящее время при производстве ПГА используется ферментация. Существует два основных типа биополимеров, а именно: получаемые из живых микроорганизмов, а также вырабатываемые путем полимеризации из растительного сырья. Для производства биопластиков используются оба типа. Биополимеры, которые присутствуют в живых организмах или вырабатываются ими, состоят из углеводов и белков и могут использоваться при производстве пластмасс коммерческого назначения. В качестве примеров можно назвать полиэфиры, крахмал, целлюлозу и соевый белок. При использовании молекул натурального растительного сырья для изготовления биоразлагаемых пластмасс, их следует полимеризовать. Примерами могут служить молочная кислота, триглицериды и полиоксоэфиры. - Что именно называется биопластиками ПГА?
Полигидроксиалканоаты (ПГА) представляют собой обширное семейство разнообразных полиоксоэфиров, которые в качестве химических соединений для хранения энергии синтезируются различными бактериями при ферментации сахаров или жиров. 
Рис. 1. Структура полигидроксиалканоатов. Образующиеся при этом полимеры позволяют создавать материалы с чрезвычайно различными характеристиками в диапазоне от твердых до исключительно эластичных. Они могут быть термопластиками или эластомерами, иметь температуру плавления от 40 до 180°C, что позволяет изготавливать их них пленки, волокна, клеи, покрытия, формованные и различные прочие изделия. Среди вырабатываемых из возобновляемых ресурсов, никакое другое кроме ПГА семейство полимеров не имеет столь широкого спектра свойств, которые могут в целом ряде случаев даже превосходить эксплуатационные характеристики, которые достигаются при использовании обычных полимеров. Это потенциально позволяет использовать ПГА для замены примерно 50 % полимерных материалов, синтезируемых в настоящее время из природного газа и нефти. Производство ПГА из выращиваемых непродовольственных зерновых культур приведет в перспективе к снижению стоимости продукции. - Как бы Вы определили способность ПГА к разложению биологическим путем?
ПГА разлагаются микроорганизмами в активной микробиологической среде (то есть, в почве, пресной воде, морской воде, компосте и т.д.) даже в анаэробных условиях, но устойчивы в чистой воде. 
Рис. 2. Испытания способности к разложению биологическим путем. Они также биосовместимы. Это означает, что они не токсичны и не вызывают ни одной из известных аллергических реакций. При наличии таких свойств, ПГА представляют интерес для вновь формирующейся отрасли биополимерного инжиниринга. Наиболее распространенный тип ПГА представляет собой поли-(3- гидроксибутират), или ПГБ, в котором 'R' соответствует метиловой группе (рис. 1.). ПГБ обладает свойствами, аналогичными свойствам полипропилена, тем не менее, он более жесткий и хрупкий. Сополимер ПГБ, который называется ПГБВ (полигидроксибутират-валерат), менее ломок и имеет большую ударную вязкость, он используется в качестве упаковочного материала.
Новые постановления по охране окружающей среды, требования общественности и растущее во всем мире внимание к экологии стимулируют поиск новых биосовместимых материалов, а также совместимых с окружающей средой технологических процессов. Полимерные материалы, органические компоненты которых подвержены полному разложению микроорганизмами, называются биоразлагаемыми. Биоразложение представляет собой "... вызываемый деятельностью микроорганизмов процесс изменений химического состава вещества, в результате которого образуются натуральные конечные продукты метаболизма. Условия окружающей среды и скорость биологического разложения должны определяться на основании стандартных методов испытаний". Самого по себе факта биологической разлагаемости материала недостаточно, когда речь идет о технологических процессах по переработке продуктов, способных к разложению биологическим путем. Значительно важнее оказывается доказанная возможность разложения за характерный для используемой методики временной интервал. - Какова стратегическая цель развития ПГА компанией Metabolix?
Основанная в 1992 году, компания Metabolix, располагая собственными более чем 130 патентными заявками и патентами технологии получения ПГА, является мировым лидером применения передовых инструментов метаболического инжиниринга и молекулярной биологии для эффективного производства ПГА пластмасс биологического происхождения в микробиологических системах или непосредственно выращиванием непродовольственных зерновых культур. Благодаря исследованиям и разработкам новых метаболических технологий компания производит внушительный ассортимент полимеров и сополимеров на основе полигидроксиалканоатов. Изменяя характеристики углеродсодержащих питательных веществ и условия ферментации, компания может менять алкильную группу алифатического радикала R с водородной на додециловую и количество метиленовых звеньев основной цепи с 1 до 3. Кроме того, возможно производство гомополимеров, сополимеров и терполимеров. Для нескольких рядов сополимеров были разработаны и продемонстрированы метаболические технологии введения сомономеров, технологии для других сополимеров разрабатываются. Продолжая исследования широких возможностей выпуска указанного ассортимента новых материалов, компания Metabolix уже выпускает полимеры, сопоставимые по свойствам с акриловыми полимерами, поставляемыми на рынок такими компаниями, как BASF и некоторыми другими. Таблица 1: Краткий обзор физических свойств ПГА, выпускаемых компанией Metabolix. Свойство | Значение | | Температура стеклования Tg | +5 до -55ºC | | температура плавления Tm | 60 до 186 ºC | | плотность | 1,10 до 1,25 г/см | | удлинение при разрыве | 5 до >1200% | | прочность на разрыв | 7 до 70 МПа | | модуль упругости при растяжении | 0,8 до 2,5 ГПа | | модуль упругости при изгибе | 0,2 до 3,5 ГПа |
Тем не менее, у этих ПГА имеются дополнительные преимущества сверхвысокого молекулярного веса и кристалличности. Metabolix может поставлять материалы с молекулярными весами в диапазоне от менее чем 1000 до 1,000,000 или больше. Кристаллизованность этих полимеров также можно изменять от 10 % до 60 – 70% от исходного, за счет изменения их состава. Адгезионные свойства также могут быть модифицированы путем изменения структуры полимера, при этом гидрофобность изменяется в диапазоне между значениями для полиэтилентерефталата (ПЭТ) и полипропилена (ПП).
- Назовите несколько уникальных возможностей применения ПГА.
С учетом разнообразия свойств ПГА, они уникально пригодны для создания законченной упаковки. Кроме формованных изделий и пленок из них можно также изготавливать биоразлагаемые клеи, краски и покрытия. При упаковке пищевых продуктов критической является также проницаемость для паров воды. Непроницаемость ПГА для паров воды на порядок выше, чем у других способных к биологическому разложению полимеров, и сопоставимо с показателем для ПЭТ. Потенциально ПГА компании Metabolix могут характеризоваться как термоплавкий клей, который способен конкурировать с существующими высокоскоростными термоплавкими ламинирующими клеями на основе этиленвинилацетата и стиролизопренстирольных каучуков, и обладает способностью перерабатываться по технологии переработки бумажной массы или компостирования. В другой сфере применения биоразлагаемые и при этом устойчивые к гидролизу ПГА компании Metabolix имеют большой потенциал для производства нетканых материалов, используемых в качестве продукции для средств личной гигиены, которые удаляются через канализацию. Рынок в этой области имеет значительную емкость, а именно более 2 млрд. долл в год, и растет быстрее, чем на 5 – 6 % за год.
С целью коммерческого использования ПГА компания заключила стратегический союз с компанией Archer Daniels Midland Company (ADM). Для совместных исследований и разработки зерновых культур, содержащих большие количества естественно вырабатываемых полимеров, которые могут быть использованы для изготовления биоразлагающихся пластиковых материалов при одновременном производстве биомассы, которая может быть преобразована в энергию, компания заключила соглашение с компанией BP. У компании имеется также договоренность с BASF о совместной работе по изучению применений для пластмасс ПГА на биологической основе. |
