«Зеленые» пластики можно создавать на основе глицерина

В красноярском СФУ открыт инновационно-прогрессивный алгоритм синтеза природоподобных пластиков, так называемых «зеленых пластиков» используя доступное и дешевое сырье — глицерин. Методика производства была практически проверена на опытном производстве данного сибирского научно-исследовательского университета. Пластики, которые были получены в результате использования отработанного учеными алгоритма, по многим пунктам значительно превосходят (и это было доказано проведением многочисленных тестов) известные зарубежные аналоги. Полученные красноярскими биотехнологами данные были освещены престижными международными научными журналами, например, статьи об исследовании были опубликованы в американском Biomacromolecules и немецком Applied Microbiology and Biotechnology

Мысль о безопасном в плане влияния на экологию и одновременно прогрессивном промышленном развития, которая занимает умы многих в современном мире настойчиво побуждает ученых создавать по-настоящему инновационные технологии, базирующихся на максимальной утилизации отходов и позволяющих синтезировать не загрязняющие окружающую среду энергоносители и экологически безвредные материалы, которые можно использовать без риска фатального загрязнения планеты.

Полигидроксиалканоаты (polyhydroxyalcanoates, PHA от греческих слов обозначающих «много» (поли), водород, кислород и араб. al-kohl — тонкая пыль) — это перспективные алифатические полиэфиры, способные к биоразложению, или «зеленые» биопластики, которые обладают целом рядом ценных свойств. Их высокая совместимость с организмом человека на биологическом уровне и уникально полная биоразлагаемость позволяет одинаково успешно использовать их как материал для одноразовых медицинских изделий, так и для создания упаковочной тары. Они могут применяться в фармакологической и пищевой промышленностях, в коммунальном хозяйстве, на сельскохозяйственных производствах. Однако цена изделий из этих алифатических полимеров до сих пор была достаточно высокой, так как для их создания требовалось ощутимо дорогое углеродное сырье.

Биотехнологи Федерального университета Сибири (вуза, ставшего одним из участников Проекта 5-100), смогли снизить стоимость продукции ПГА предложив производить такие пластики используя глицерин – субстрат, который значительно доступнее и дешевле сахаров, самой распространенной в настоящее время основы для создания биопластиков.

Глицерин был выбран не случайно: этого вещества уже много, и его планируемое производство неуклонно растет. Это сырье выбора для крупнотоннажного производства биополимеров, так как использование биодизеля — возобновляемого источника энергии, основного соперника нефти неуклонно растет. Специалисты Oil World заявляют, что на конец 2016 производство биодизеля на Земле стало рекордно высоким — 33 млн тонн, а объем глицерина, как побочного продукта этого производства, составляет десятую часть от этих гигантских цифр.

Микробиологический синтез биоразлагающихся алифатических полиэфиров на глицерине внимательно изучается во многих зарубежных странах уже достаточно долгое время. Субстрат, к сожалению, имеет примеси, ухудшающие синтез биополимера. Именно этот фактор значительно снижает продуктивность производства на глицерине, делая его менее выгодным, чем «старомодное» выращивание ПГА на относительно намного более затратных по цене сахарах. Для того, чтобы образование ПГА на глицерине стало высокорентабельным, необходимы другие штаммы и повышение КПД различных стадий данного процесса, включая масштабирование вариантов.

Успешной разработкой сибирских биотехнологов, как подчеркивают сами ученые, является изучение закономерностей синтеза полигидроксиалканоатов на разных типах глицерина с разными степенями очистки. Исследование проводилось в рамках мега-гранта «Агропрепараты нового поколения: стратегия конструирования и реализация». Учеными был выбран максимально эффективный штамм грамотрицательных бактерий Cupriavidus eutrophus из авторской коллекции штаммов, которые адаптированы к глицерину и легко его усваивают. Выбранный учеными В-10646 способен образовывать ПГА разного вида. Главный автор исследования профессор Татьяна Волова, возглавляющая кафедру биотехнологии университета, сообщила, что ее команда обозначила пределы физиологического действия и все необходимые кинетические постоянные по глицерину для изучаемого штамма В-10646. Ученым удалось доказать безвредность микропримесей, находящихся в глицерине той или иной степени очистки, и их влияние на конечный урожай биомассы и собственно ее синтез.

В ходе проведенного лабораторного химического исследования ученые пришли к важному заключению: глицерин влияет на характеристики полигидроксиалканоатов – уменьшает их молекулярную массу и, главное, степень кристалличности. Понижение степени кристалличности улучшает технологические характеристики полимера. Кроме того, ученые рассчитали какое конкретно количество глицерина нужно, определили необходимые свойства, предъявляемые к «посевного материалу» для культивации микроорганизмов, и рассчитали параметры, обеспечивающие оптимальный урожай биомассы бактерий и максимальную концентрацию в них полимера. Данное исследование гарантирует эффективность алгоритма синтеза биополимеров на новом веществе. Методика реализована учеными на практике, сначала в камеральном масштабе (в ферментере объемом 30л), а затем посредством опытного производства (на объеме 150 литров).

Как резюмировала профессор Волова, их технология высоко производительная и малозатратная, она уже благополучно опробована на практике, а достигнутые командой показатели производительности выше, чем получаемые на сахарах за рубежом.