ポリヒドロキシアルカン酸

ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）は、糖や脂質の細菌発酵など、多くの微生物によって自然界で生成されるポリエステルです。^[1]細菌によって生成される場合、エネルギー源と炭素貯蔵庫の両方として機能します。このファミリー内で150を超える異なるモノマーを組み合わせることで、非常に異なる特性を持つ材料が得られます。^{[2]これらのプラスチックは生分解性であり、}バイオプラスチックの製造に使用されます。^[3]

これらは熱可塑性材料またはエラストマー材料のいずれかであり、^{[引用が必要] 、}融点は40〜180℃の範囲です。^{[引用が必要]}

PHAの機械的特性と生体適合性は、他のポリマー、酵素、無機材料とのブレンド、表面改質、または組み合わせによっても変化し、より幅広い用途が可能になります。^[4]

生合成

実験室で PHA の生産を誘導するには、 Cupriavidus necatorなどの微生物の培養物を適切な培地に置き、適切な栄養素を与えて急速に増殖させます。個体数が十分なレベルに達したら、栄養素の組成を変更して微生物に PHA を合成させます。細胞内顆粒封入体から得られる PHA の収量は、生物の乾燥重量の 80% にも達することがあります。^{[引用が必要]}

PHA の生合成は、通常、欠乏状態 (リン、窒素、微量元素などのマクロ要素の不足、酸素の不足など) と炭素源の過剰供給によって引き起こされます。^[5]ただし、単一培養または混合微生物群における PHA 生産の普及は、マクロ要素だけでなく、全体的な栄養素の制限に依存することもあります。これは、PHA 生産を誘導するための「豊作/飢餓」サイクル法に特に当てはまります。この方法では、炭素が定期的に追加および枯渇して飢餓を引き起こし、飢餓期間の貯蔵方法として「豊作」中に細胞が PHA を生成するように促します。^{[引用が必要]}

ポリエステルは細胞内に高屈折性の顆粒の形で沈着する。微生物と培養条件に応じて、異なるヒドロキシアルカン酸を含むホモポリエステルまたはコポリエステルが生成される。その後、細胞を破壊することでPHA顆粒を回収する。^[6]組み換えバチルス・サブチリス株pBE2C1とバチルス・サブチリス株pBE2C1ABはポリヒドロキシアルカン酸（PHA）の製造に使用され、麦芽廃棄物を炭素源として使用することでPHA製造コストを削減できることが示された。

PHA シンターゼは PHA 生合成の重要な酵素です。この酵素は、補酵素 A - (r)-ヒドロキシ脂肪酸のチオエステルを基質として使用します。PHA シンターゼの 2 つのクラスは、短鎖または中鎖長のヒドロキシ脂肪酸を具体的に使用する点で異なります。

結果として得られる PHA には次の 2 つのタイプがあります。

3～5 個の炭素原子を含む短鎖ヒドロキシ脂肪酸からのポリ (HA SCL) は、Cupriavidus necatorやAlcaligenes latus ( PHB ) を含む多数の細菌によって合成されます。
6 〜 14 個の炭素原子を含む中鎖長のヒドロキシ脂肪酸からのポリ (HA MCL) は、例えばPseudomonas putidaによって生成できます。

Aeromonas hydrophilaやThiococcus pfennigiiなどの少数の細菌は、上記の 2 種類のヒドロキシ脂肪酸からコポリエステルを合成するか、少なくともこの合成の一部を実行できる酵素を持っています。

さらに大規模な合成は、土壌生物の助けを借りて行うことができます。窒素とリンが不足しているため、土壌生物は 3 キログラムの砂糖に対して 1 キログラムの PHA を生成します。

PHA の最も単純で最も一般的な形態は、1000 ～ 30000 個のヒドロキシ脂肪酸モノマーで構成されるポリベータヒドロキシ酪酸[ポリ (3-ヒドロキシ酪酸)、P (3HB)]の発酵生産です。

工業生産

PHA の工業生産では、砂糖、グルコース、または植物油の微生物発酵の条件を最適化することにより、細菌からポリエステルを抽出し、精製します。

1980年代、インペリアル・ケミカル・インダストリーズは発酵法で得られるポリ（3-ヒドロキシ酪酸-コ-3-ヒドロキシバレレート）を開発し、「バイオポール」と名付けました。これは「バイオポール」という名前で販売され、米国ではモンサント社、後にメタボリックス社によって流通されました。^[7]

発酵の原料としては、ブドウ糖や蔗糖などの炭水化物が使用できるが、植物油やバイオディーゼル生産からのグリセリンも使用できる。産業界の研究者は、細菌からのPHA合成経路を発現し、組織内にエネルギー貯蔵庫としてPHAを生成する遺伝子組み換え作物を開発する方法に取り組んでいる。廃水からPHAを生成する方法の開発に取り組んでいる企業には、Veoliaの子会社Anoxkaldnes ^[8]や新興企業のMicromidas、^[9] Mango Materials、^[10]^[11] Full Cycle Bioplastics、^{[12] Newlight、Paques Biomaterials}^[13]^[14]などがある。

PHA は主に射出成形、押し出し成形、押し出し成形バブルによってフィルムや中空体に加工されます。

材料特性

PHAポリマーは熱可塑性で、従来の加工装置で加工することができ、その組成に応じて延性があり、多かれ少なかれ弾性があります。^[15] 化学組成（ホモポリエステルまたはコポリエステル、ヒドロキシ脂肪酸を含む）に応じて特性が異なります。

ポリ乳酸などのポリマーから作られた他のバイオプラスチックとは対照的に、それらは紫外線に対して安定しており、約180℃までの部分的な温度に耐え、水の浸透性が低い。結晶化度は数％から70％の範囲である。材料中のバレレートの割合が高いほど、加工性、衝撃強度、柔軟性が向上する。PHAはクロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタンなどのハロゲン化溶媒に溶ける。^[16]

PHB はポリプロピレン(PP)と材料特性が似ており、湿気や芳香に対する耐性に優れています。純粋な PHB から合成されたポリヒドロキシ酪酸は比較的脆く、硬いです。β-ヒドロキシ吉草酸などの他の脂肪酸を含む可能性のある PHB コポリマーは、弾性がある場合があります。

アプリケーション

ポリ-3-ヒドロキシバレレート（PHV）の構造
ポリ-4-ヒドロキシ酪酸（P4HB）の構造

PHAベースの材料は生分解性があり、新しい特性を持つバイオプラスチックを作れる可能性があるため、その利用開発には大きな関心が寄せられています。PHAは、化石燃料以外の資源からプラスチックを作る手段としてグリーンエコノミーに適合します。さらに、プラスチック廃棄物（ポリエチレンテレフタレートやポリウレタンなど）をシュードモナスプチダバクテリアを使ってPHAにバイオ変換する「アップサイクリング」の研究が活発に行われています。^[17]

PHBV（ポリ（3-ヒドロキシ酪酸-コ-3-ヒドロキシバレレート））と呼ばれるPHAコポリマーは、剛性が低く、強度が高いため、包装材料として使用できます。

2005年6月、米国企業Metabolix社は、コスト効率の高いPHA製造方法の開発と商業化により、米国大統領グリーンケミストリーチャレンジ賞（中小企業部門）を受賞しました。 ^[18]

微生物によって生産されるPHA ^[2]は、主にその生分解性により、農業、^{[19]医療および製薬業界での潜在的な用途がある。}

固定および整形外科用途には、縫合糸、縫合ファスナー、半月板修復デバイス、リベット、タック、ステープル、ネジ（干渉ネジを含む）、骨プレートおよび骨プレーティングシステム、外科用メッシュ、修復パッチ、スリング、心血管パッチ、整形外科用ピン（骨充填増強材料を含む）、癒着バリア、ステント、誘導組織修復/再生デバイス、関節軟骨修復デバイス、神経ガイド、腱修復デバイス、心房中隔欠損修復デバイス、心膜パッチ、増量剤および充填剤、静脈弁、骨髄スキャフォールド、半月板再生デバイス、靭帯および腱移植片、眼細胞インプラント、脊椎固定ケージ、皮膚代用物、硬膜代用物、骨移植代用物、骨ダボ、創傷被覆材、および止血剤が含まれます。^[20]

参考文献

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さらに読む

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