mini|Struktur von poly-(R)-3-hydroxybutyrat (P3HB), ein Polyhydroxyalkanoat
Polyhydroxyalkanoate (PHA) oder Polyhydroxyfettsäuren (PHF) sind natürlich vorkommende wasserunlösliche und lineare Biopolyester, die von vielen Bakterien als Reservestoffe für Kohlenstoff und Energie gebildet werden. Diese Biopolymere sind biologisch abbaubar und werden zur Herstellung von bio-basierten Kunststoffen verwendet. Als Mikroorganismen seien als Beispiele genannt: Cupriavidus necator (früher genannt Alcaligenes eutropha, Wautersia eutropha oder Ralstonia eutropha), Alcaligenes latus, Pseudomonas putida, Aeromonas hydrophila und Escherichia coli. Innerhalb der Familie können mehr als 150 verschiedene Monomere kombiniert werden, um Materialien mit extrem unterschiedlichen Eigenschaften zu erhalten.
Sie können entweder thermoplastische oder elastomere, also dehnbare Materialien sein, wobei der Schmelzpunkt im Bereich von 40 bis 180 °C liegt. Die mechanischen Eigenschaften und die Biokompatibilität von PHA können auch durch Mischen, Modifizieren der Oberfläche oder Kombinieren von PHA mit anderen Polymeren, Enzymen und anorganischen Materialien verändert werden, wodurch ein breiteres Anwendungsspektrum ermöglicht wird.
300px|mini|Chemische Strukturen von P3HB, PHV und ihrem Copolymer PHBV
Struktur Die einfachste und am häufigsten vorkommende Form der PHA ist das fermentativ synthetisierte Poly[(R)-3-hydroxybutyrat] (Polyhydroxybuttersäure, PHB oder Poly(3HB)). Dieses besteht aus 1.000 bis 30.000 Hydroxyfettsäureeinheiten. Neben 3-Hydroxybuttersäure sind rund 150 weitere Hydroxyfettsäuren als PHA-Bausteine bekannt.
PHA kann entweder als kurzkettiges (short-chain length PHA, scl–PHA) mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen, als mittelkettiges (medium-chain length PHA, mcl–PHA) mit 6 bis 14 Kohlenstoffatomen oder als langkettiges (long-chain length PHA, lcl–PHA) mit 15 oder mehr Kohlenstoffatomen synthetisiert werden. Je nach Mikroorganismus und Kultivierungsbedingungen werden Homo- oder Copolyester mit unterschiedlichsten Hydroxycarbonsäuren erzeugt.
PHA-Typen PHA-Monomere: Polyhydroxybutyrat, Polyhydroxyvalerat PHA-Copolymere: P(4hb-Co-3hb), P(3hb-Co-3hv) PHA-Terpolymere: P(3hb-Co-3hv-Co-4hb)
PHAs sind nach folgender Strukturformel aufgebaut: Alkyl Verzweigung Name Abkürzung R = H Poly(3-hydroxypropionat) (PHP) R = CH3 (Methyl) Poly(3-hydroxybutyrat) (PHB, P3HB) R = CH2CH3 (Ethyl) Poly(3-hydroxyvalerat) (PHV) R = Propyl Poly(3-hydroxyhexanoat) (PHHx) R = Butyl Poly(3-hydroxyheptanoat) (PHH) R = Pentyl Poly(3-hydroxyoctanoat) (PHO) R = Hexyl Poly(3-hydroxynonanoat) (PHN) R = Heptyl Poly(3-hydroxydecanoat) (PHD) R = Octyl Poly(3-hydroxyundecanoat) (PHUD) R = Nonyl Poly(3-hydroxydodecanoat) (PHDD) R = Undecyl Poly(3-hydroxytetradecanoat) (PHTD) R = Dodecyl Poly(3-hydroxypentadecanoat) (PHPD) R = Tridecyl Poly(3-hydroxyhexadecanoat) (PHHxD)
Ein „-Co-“ wird verwendet, um das Copolymer anzuzeigen Copolymer-Name AbkürzungRco = MethylPoly(3-hydroxypropionat-co-3-hydroxybutyrat)(P3HP-3HB)Rco = MethylPoly(3-hydroxypropionat-co-4-hydroxybutyrat)(P3HP-4HB)R = Methyl Rco = MethylPoly(3-hydroxybutyrat-co-4-hydroxybutyrat)(P(3HB-4HB))R = Methyl Rco = PropylPoly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat)(PHB-HHx), PHBHPoly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat)(PHBV)Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat-co-3-hydroxyhexanoat)(PHBV-HHx) R = C3–C11medium chain length PHA(mcl-PHA) R = C12 und mehrlong chain length PHA(lcl-PHA)
Biosynthese PHAs werden im Stoffwechsel von Bakterienzellen als Speicherstoff synthetisiert.
Zur Herstellung von PHA wird eine Kultur eines Mikroorganismus in ein geeignetes Medium gegeben und mit geeigneten Nährstoffen gefüttert, so dass sie sich schnell vermehrt. Sobald die Population ein beträchtliches Niveau erreicht hat, wird die Nährstoffzusammensetzung geändert, um den Mikroorganismus zur Synthese von PHA zu zwingen. Die Biosynthese von PHA durch Mikroorganismen wird während der Fermentation meist durch bestimmte Mangelbedingungen (z. B. Mangel an den Makroelementen Phosphor, Stickstoff, Mangel an Spurenelementen oder Sauerstoffmangel) bei gleichzeitigem Überangebot an Kohlenstoffquellen ausgelöst. Geeignete Enzyme fördern die PHA-Bildung. Bakterienstämme Zur Synthese des kurzkettigen Poly(hydroxybutyrat) (PHB) werden als produzierende Stämme Organismen wie Cupriavidus necator, früher bekannt als Ralstonia eutropha aus der Familie der Burkholderiaceae oder Bacillus sp. verwendet. Cupriavidus necator, gehört aufgrund seiner hohen PHB-Ertragskapazität zu den am besten untersuchten PHB-produzierenden Stämmen. In einer Reinkultur kann dieser Stamm durch Verzehr eines breiten Spektrums an Kohlenstoffquellen intrazelluläre PHB-Reserven von bis zu 80 % seines Zelltrockengewichts (CDW) ansammeln. Typischerweise liegt das Molekulargewicht des von Wildtyp-Bakterien produzierten PHB zwischen 1,0 × 10 und 3,0 × 10 bei einem Polydispersitätsindex von etwa 2,0.
Unter Verwendung des Wildtyp-Stamms Ralstonia eutropha H16 wurde ein CDW von 118–126 g/l und ein hoher PHB-Gehalt von 72–76 % (w/w) festgestellt.
Aus verschiedenen Bakterienstämmen und mit unterschiedlichen Kohlenstoffsubstraten der Mikroorganismen können unterschiedliche Monomere hergestellt werden. Der Stamm Pseudomonas sp. produziert im Wesentlichen mittelkettige in mcl-PHA.
Kohlenstoff-Rohstoffquellen PHAs können über verschiedene Wege unter Verwendung unterschiedlicher Kohlenstoffquellen synthetisiert werden:
Die Substrate für die biosynthetisierende PHAs sind in der Regel auf kleine Moleküle beschränkt, da Bakterien dicke, starre Zellwände als Membranen haben. Große polymere Moleküle können nicht in die Zelle transportiert werden, und für den Einsatz der polymeren Moleküle ist eine extrazelluläre Transformation entweder durch den Mikroorganismus oder durch einen chemischen Prozess erforderlich.
Als Nährstoffe kommen einfache pflanzliche oder tierische Zucker wie Glucose, Fructose, Maniokstärke-Nebenprodukt, Lactose, kurzkettige Säuren und Alkohole wie Milchsäure, Essigsäure, 1,4-Butandiol, γ-Butyrolacton, 4-Hydroxybutansäure als auch Öle und Fette wie Olivenöl, Maisöl, Palmöl, Schmalz, Talg, Abfallöle in Frage.
Die Biomassen als Kohlenstoffquellen müssen vorbehandelt werden, um die entsprechenden Monomereinheiten für die Bakterienaufnahme zu erhöhen. Melasse enthält beispielsweise hohe Mengen an Saccharose, die zuerst in ihre Monomer-Bausteine Glucose und Fructose hydrolysiert werden muss. Bei der hydrothermalen Säurevorbehandlung von Melasse wurde ein Anstieg des Glucose- und Fructosegehalts um 15 % beobachtet.
Der Kohlenwasserstoff-Stoffwechsel von Triacylglycerol (Abfallfette und Öle) ist begrenzter, kann aber von Pseudomonas-Bakterienarten durchgeführt werden. Aus dem gleichen Substrat können verschiedene Bakterien PHAs mit einer anderen Zusammensetzung synthetisiert werden.
PHA-Synthasen Die PHA-Synthese wird durch PHA-Synthasen, das sind Schlüsselenzyme und Co-Enzyme der Bakterien aktiviert.
Ein Schlüsselenzym für die PHA-Bildung sind die PHA-Synthasen. Eine Liste mit Enzymen, die in den PHA-Biosynthese-Pfad involviert sind, ist bei Tan et al. und Behera zusammengestellt.
PHA-Polymere PHA-Homopolymere Bei strukturell unverwandten Reinsubstraten, wie Zuckern, entsteht bei den meisten Organismen das Homopolymer Polyhydroxybutyrat. Bei strukturell verwandten Substraten, wie Fettsäuren, entstehen bei geradzahligen C-Atomen ebenfalls nur Hydroxybutyrat, ein Homopolymer wird gebildet. Aus ungeradzahligen C-Atomen können viele Organismen jedoch sowohl Hydroxybutyrat als auch Hydroxyvalerat bilden, ein Copolymer wird gebildet.
PHA-Copolymere Gibt man zu den Hauptsubstraten noch Co-Substrate wie zum Beispiel Valeriansäure, Hexansäure oder Glycerin hinzu, werden von den Mikroorganismen Co-Polyester mit unterschiedlichen Hydroxycarbonsäuren erzeugt.
Gemischte Biopolymere können als Copolymer durch die Wahl des Stammes und das Verhältnis der Substrate maßgeschneidert werden.
Kahar et al. berichteten über eine hochertragreiche PHA-Produktion unter Verwendung des rekombinanten Stamms PHB 4/pJRDEE32d13 (ein PHA-negativer Mutant mit dem PHA-Synthase-Gen phaC Ac von Aeromonas caviae), der 5 Mol-% (R)-3-Hydroxyhexanoat, P(3HB-co-5 Mol-% 3HHx), ein DCW von 128–138 g/l und einen hohen PHA-Gehalt von 71–74 % (w/w) enthält.
Übersicht über ausgewählte Stämme, Substrate und PHA-Polymere Anbei einige ausgewählte Stämme an Mikroorganismen, die aus Substraten eine hohe PHA-Konzentration in der trockenen Zellmasse synthetisieren: