Poliidrossialcanoati

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I poliidrossialcanoati (PHA) sono polimeri poliesteri termoplastici sintetizzati da vari generi di batteri (Bacillus, Rhodococcus, Pseudomonas, etc...) attraverso la fermentazione di zuccheri o lipidi.

Queste macromolecole lineari, in particolari condizioni di coltura, quale l'assenza di determinati nutrienti come azoto, fosforo e zolfo, vengono accumulate dai batteri come fonte carboniosa di riserva, sotto forma di granuli. I granuli possono raggiungere elevate concentrazioni, fino anche al 90% del peso secco della massa batterica.

La composizione dei poliidrossialcanoati è molto varia e dipende dal tipo di batteri da cui sono sintetizzati nonché dalla matrice di coltura. La formula chimica generale di struttura è la seguente:

PHA.svg

dove n è il numero dei gruppi CH2, y è il numero dei monomeri che può variare da 100 a 30.000, e R è la catena laterale.

Il gruppo R è un gruppo alchilico con un numero di atomi di carbonio che va da 1 a 15, può essere ramificato o lineare e contenere sostituenti di vario tipo. Si parla di poliidrossialcanoati a catena corta, quando ci sono 1-5 atomi di carbonio, si parla di poliidrossialcanoati a catena media, quando ci sono 6-14 atomi di carbonio. I batteri del genere Ralstonia producono poliidrossialcanoati a catena laterale corta, mentre gli Pseudomonas producono poliidrossialcanoati a catena laterale media.

La grande variabilità delle catene laterali e dei monomeri conferisce a tali materiali altrettanta variabilità di caratteristiche fisiche[1], con punti di fusione che vanno da 40 a 180 °C. Possiamo infatti trovare PHA che sono essenzialmente polimeri termoplastici, come ad esempio il poliidrossibutirrato, oppure gomme o elastomeri come ad esempio il poliidrossiottanoato.

Questi materiali sono biodegradabili e sono usati nella produzione di bioplastiche.

Le proprietà meccaniche e la biocompatibilità dei PHA può anche essere modificata fondendoli, modificandone la superficie o combinandoli con altri polimeri, enzimi e materiali inorganici.

Principali poliidrossialcanoati prodotti in natura[modifica | modifica sorgente]

Si riportano in tabella i principali poliidrossialcanoati sintetizzati in natura, dove R è la catena laterale e n il numero di CH2 nella catena lineare del monomero.

R n=1 n=2 n=3 n=4
H poli (3-idrossipropionato) poli (4-idrossibutirrato) poli (5-idrossivalerato)
CH3 poli (3-idrossibutirrato) poli (4-idrossivalerato) poli (5-idrossiesanoato)
C2H5 poli (3-idrossivalerato)
C3H7 poli (3-idrossiesanoato)
C5H11 poli (3-idrossiottanoato)
C6H13 poli (6-idrossidodecanoato)
C9H19 poli (3-idrossidodecanoato)

Biosintesi[modifica | modifica sorgente]

Placca con coltura di Ralstonia metallidurans

Per produrre PHA, una coltura batterica, ad esempio Ralstonia metallidurans, viene fatta crescere in un substrato adatto con nutrienti appropriati affinché si moltiplichi rapidamente. Una volta che la popolazione batterica ha raggiunto una buona biomassa, viene cambiata la composizione dei nutrienti per indurre il microrganismo a sintetizzare ed accumulare PHA. In questa maniera la resa di PHA ottenuti dalle inclusioni intracellulari può raggiungere il 90% del peso secco dell'organismo.

La biosintesi di PHA è di solito causata da carenza di condizioni particolari, come ad esempio, la mancanza di macroelementi quali fosforo, azoto, oligoelementi, o dalla mancanza di ossigeno, e contemporaneamente dall'eccesso di offerta di fonti di carbonio.

Questi poliesteri sono depositati nelle cellule in forma di granuli con alto indice di rifrazione. A seconda del microrganismo e delle condizioni di coltura, vengono sintetizzati omo o copoliesteri con differenti acidi idrossialcanici. I granuli di PHA sono poi recuperati distruggendo le cellule.[2]

Proprietà dei materiali[modifica | modifica sorgente]

I poliidrossialcanoati sono polimeri termoplastici, possono essere lavorati con attrezzature convenzionali, e sono, a seconda della loro composizione, duttili e più o meno elastici e differiscono nelle loro proprietà in base alla loro composizione chimica (omo o copoliesteri).

Sono stabili all' UV, a differenza di altri tipi di bioplastiche derivate da polimeri come l'acido polilattico, e mostrano una bassa permeabilità all'acqua. Poliidrossialcanoati sono solubili in solventi alogenati come cloroformio, o dicloroetano.[3] La cristallinità può essere compresa nell'intervallo di piccole percentuali o fino al 70%. La lavorabilità, la resistenza all'urto e la flessibilità migliorano con una percentuale maggiore di valerato nel materiale.

Tra i poliidrossialcanoati, il poliidrossibutirrato (PHB) ha proprietà simili al polipropilene (PP), ed ha una buona resistenza all'umidità. L'acido poliidrossibutirrico, sintetizzato da PHB puro è relativamente fragile e rigido, copolimeri del PHB, che possono includere altri acidi grassi come l'acido beta-idrossivalerato, possono invece avere proprietà elastiche.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Doi, Y e Steinbuchel, A., Biopolymers, Weinheim, Germany, Wiley-VCH, 2002.
  2. ^ N. Jacquel, CW Lo, YH Wei, HS Wu, SS Wang, Isolation and purification of bacterial poly(3-hydroxyalkanoates) in Biochemical Engineering Journal, vol. 39, nº 1, aprile 2008, pp. 15-27, DOI:10.1016/j.bej.2007.11.029.
  3. ^ N. Jacquel e et al., Solubility of polyhydroxyalkanoates by experiment and thermodynamic correlations in AlChE J., vol. 53, nº 10, 2007, pp. 2704-2714, DOI:10.1002/aic.11274.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]