Plastics_3_2015

w w w . p l a s t i c s . r u 48 СПЕЦТЕМА/ БИО- И НАНОПЛАСТИКИ П Л А С Т И К С № 3 ( 1 4 3 ) 2 0 1 5 дифицированной ДНК, которые были бы способны последователь- но гидролизовать высшие сахара и затем превращать их в полимеры- аккумуляторы. Такой путь усовер- шенствования микроорганизмов позволит выйти на использование более дешевого сырья вроде отхо- дов пищевого или спиртового про- изводства. Во-вторых, предприни- маются попытки культивировать подходящие для промышленного процесса колонии бактерий, оби- тающих в почве. Идея здесь в том, что у таких бактерий метаболизм в условиях хронического недо- статка микроэлементов настроен на очень активное производство полимеров-аккумуляторов. Выражаясь язы- ком химической промышленности, выход PHA-полимеров на единицу потребленного глюкозного сырья у них выше, чем у исполь- зуемых сейчас в промышленном производ- стве. Сам процесс производства пластиков класса PHA выглядит следующим образом. В обогащенной сахарами среде, куда также добавлено определенное количество микро- элементов, расселяется колония бактерий. Пользуясь благоприятными пищевыми усло- виями, они активно размножаются. Однако в какой-то момент численность популяции начинает превосходить питательные воз- можности среды, и бактерии переключают- ся на накопление полимеров PHA. Процесс останавливается в момент максимального количества полимеров, аккумулированных внутри бактериальных клеток. Затем оболоч- ки клеток разрушаются (механически или ультразвуком), полимер высвобождается в раствор, отделяется и дальше обрабатыва- ется традиционным способом. Молочнокислое брожение Большинство живых организмов на Земле различного уровня сложности использует в своей жизнедеятельности кислород, который участвует в процессе трансформации пищи в энергию, необходимую для реализации всех прочих жизненных функций живой клетки. Сложный комплекс биохимических про- цессов переработки питательных веществ (углеводов, жиров) в энергетические экви- валенты с участием кислорода называется клеточным дыханием. Однако на ранних этапах эволюции живой материи кислорода на планете было относительно мало, поэто- му организмы выработали альтернативный способ метаболизма питательных веществ, при котором кислород в процесс вообще не вовлекается или вовлекается в меньших ко- личествах. Такой способ превращения пищи в энергию носит название анаэробного ды- хания или брожения. Для растений этот про- цесс реализуется с производством в качестве побочного продукта этилового спирта. Это так называемое спиртовое брожение. У животных анаэробное дыхание при- водит к производству молочной кислоты. В свою очередь, молочную кислоту как моно- мер можно полимеризовать с образованием полилактидов (PLA). На этом основано про- мышленное производство такого биополи- мера, как полимолочная кислота. Согласно нашей классификации, он является биопла- стиком группы 4в. Процесс полимеризации молочной кислоты в полимерный материал был запатентован компанией DuPont еще в 1954 году. Однако на тот момент клеточные технологии не позволяли реализовать на- работку мономера, а получать его из угле- водородного сырья (что возможно) было бессмысленно при наличии более дешевых альтернатив вроде полистирола. Технологически процесс наработки моно- мера для PLA не столь сложен и затратен, как в случае с пластиками группы PHA, посколь- ку молочнокислое брожение — относитель- но простой процесс, не требующий наличия живой клетки. Впромышленностимолочную кислоту получают брожением глюкозосо- держащего сырья под действием вводимых в процесс ферментов, эквивалентных тем, что осуществляют аналогичный процесс в живых организмах. Собственно, отсутствие в промышленной технологии составляющей, связанной с клеточными культурами, и воз- можность построения непрерывного про- изводства сильно снижают себестоимость молочной кислоты и ее полимера. Поэтому PLA пока является самым дешевым биопла- стиком из группы 4. Однако конкурировать по издержкам с обычными нефтехимически- ми полимерами PLAможет лишь в отдельных регионах мира (например, США или Брази- лия), где стоимость сахаросодержащего сырья ниже за счет индустрии биоэтанола. Собственно, перспективы сокращения из- держек при производстве полимолочной кис- лоты абсолютно созвучны таковым в отрасли биоэтанола: это переход на так называемые технологии второго поколения, которые да- вали бы возможность за счет ферментатив- ных/бактериальных подходов вовлекать в получение глюкозы более дешевое исходное сырье, содержащее не крахмал, а целлюлозу. Это позволит перейти на использование, на- пример, сена, ботвы, отходов зернообработ- ки, древесины (рис. 2).