Polyhydroxyalkanoate

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.^[1] 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.^[2]

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.

Chemische Strukturen von P3HB, PHV und ihrem Copolymer PHBV

Struktur

Die einfachste und am häufigsten vorkommende Form der PHA ist das durch 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	Abkürzung
Rco = Methyl	Poly(3-hydroxypropionat-co-3-hydroxybutyrat)	(P3HP-3HB)
Rco = Methyl	Poly(3-hydroxypropionat-co-4-hydroxybutyrat)	(P3HP-4HB)
R = Methyl Rco = Methyl	Poly(3-hydroxybutyrat-co-4-hydroxybutyrat)	(P(3HB-4HB))
R = Methyl Rco = Propyl	Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat)	(PHB-HHx), PHBH
	Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat)	(PHBV)
	Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat-co-3-hydroxyhexanoat)	(PHBV-HHx)
R = C3–C11	medium chain length PHA	(mcl-PHA)
R = C12 und mehr	long chain length PHA	(lcl-PHA)

• 
  Struktur von Poly-(R)-3-hydroxybutyrat (P3HB)
• 
  Struktur von Poly-3-hydroxyvalerat (PHV)
• 
  Struktur von Poly-4-hydroxybutyrat (P4HB)

Biosynthese

Zur Herstellung von PHA wird eine Kultur eines Mikroorganismus wie Cupriavidus necator (auch Ralstonia eutropha genannt) aus der Familie der Burkholderiaceae in ein geeignetes Medium gegeben und mit geeigneten Nährstoffen gefüttert, so dass sie sich schnell vermehrt. 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.^[3]

Um die Glucosebausteine der Saccharose-Substrate für die mikrobielle PHA Produktion zugänglich zu machen, werden die Substrate oftmals vorher hydrolysiert. 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.

PHAs werden in Bakterienzellen durch einen Stoffwechselprozess synthetisiert.^[4] 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.

JoAnne Stubbe erforschte und isolierte mit ihrer Gruppe ein erstes Enzym zur biosynthetischen PHA-Synthase und untersuchte die durch das Enzym aufgebauten Polymere. Eine Liste mit Enzymen, die in den PHA-Biosynthese-Pfad involviert sind, ist bei Tan et al. und Behera zusammengestellt.^[5][6][4] PHA-Synthasen sind die Schlüsselenzyme der PHA-Biosynthese. Sie verwenden das Coenzym A-Thioester von (r) -Hydroxyfettsäuren als Substrate.

Die Ausbeute an PHA, die aus den intrazellulären Granulateinschlüssen erhalten wird, kann bis zu 80 % des Trockengewichts des Organismus betragen.

Die Biopolyester werden in Form von wasserunlöslichen, stark lichtbrechenden Granula als Energie-Speicherstoffe in den Zellen abgelagert. Die meisten PHA-synthetisierenden Mikroorganismen können als Substrat einfache Zucker verwenden. Der Kohlenwasserstoff-Stoffwechsel von Triacylglycerol (Fette und Öle) ist begrenzter, kann aber von Pseudomonas-Bakterienarten durchgeführt werden. Aus dem gleichen Substrat können verschiedene Bakterien PHAs mit einer anderen Zusammensetzung herstellen.

Bei reinen Substraten entstehen Homopolyester. Gibt man zu den Hauptsubstraten noch Co-Substrate wie zum Beispiel Valeriansäure oder Glycerin hinzu, werden von den Mikroorganismen Co-Polyester mit unterschiedlichen Hydroxycarbonsäuren erzeugt.

Die Firma P4SB erforscht die Biotransformation von nicht biologisch abbaubaren, ölbasierten Kunststoffabfällen (z. B. Polyethylenterephthalat und Polyurethan) unter Verwendung der Bakterien Pseudomonas putida zu biologisch abbaubarem Polyhydroxyalkanoat (PHA).^[7]

Eine Übersicht über die Umwandlung von Abfallströmen als auch von petrochemischem Plastikabfall als Kohlenstoffquelle in Biopolymere PHA beschreiben Khatami und Kollegen.^[8]

Anbei einige ausgewählte Stämme an Mikroorganismen, die aus Substraten eine hohe PHA-Konzentration in der trockenen Zellmasse synthetisieren:

Gruppe Kohlenstoff-Quelle	Kohlenstoff-Quelle	Mikroorganismen-Stamm	PHA
Hydroxycarbonsäuren, kurzkettig	3-Hydroxybutansäure, 4-Hydroxybutansäure	Eutropha N9A, Wautersia eutropha, Cupriavidus necator und Alcaligenes	scl-PHA, P3HB mit 1.000 bis 30.000 Hydroxycarbonsäure Monomeren.
Hydroxycarbonsäuren	3-Hydroxybutansäure, 4-Hydroxybutansäure	Aeromonas hydrophila und Thiococcus pfennigii	PHA-Copolyester
Hydroxycarbonsäuren	Alkene, n-Alkane	Pseudomonas putida GPo1, Pseudomonas oleovorans	scl-mcl-PHA, mcl-PHA
Glycerin	Glycerin	Burkholderia cepacia	P3HB
Glycerin	Rohglycerin aus der Biodiesel-Produktion	Haloferax mediterranei	P3HB3HV
Polysaccharide	Glucose	CECT 4623, KCTC 2649, NCIMB 11599, Novosphingobium nitrogenifigens Y88, Ralstonia eutropha[5][9]	P3HB
Polysaccharide	Fructose + Glucose	Azohydromonas lata, Alcaligenes latus, Cupriavidus necator H16, (früher Hydrogenomonas eutropha H16), (früher Alcaligenes eutrophus H16), (früher Ralstonia eutropha H16), (früher Wautersia eutropha H16), Burkholderia cepacia, Pseudomonas multivorans, Pseudomonas cepacia	P3HB
Polysaccharide	Glucose + Valeriansäure	Caldimonas taiwanensis	PHBV (49 % B–51 % V)
Polysaccharide	Glucose + Laurinsäure	Aeromonas hydrophila, Aeromonas caviae, Rhodospirillium rubrum, Rhodocyclus gelatinosus, Sinorhizobium fredil	P(3HB-co-3HHx), P(3HB-co-3HO), SCL-MCL-Copolymers
Polysaccharide	Glucose + mittelkettige Fettsäuren	Aeromonas hydrophila, Cupriavidus necator, Hydrogenomonas eutropha, (früher Alcaligenes eutrophus), (früher Ralstonia eutropha) und (früher Wautersia eutropha), Caldimonas taiwanensis	P3HB-co-3HHx, P3HB-co-3HV
Polysaccharide	Saccharose	Azohydromonas lata, (früher Alcaligenes latus),	P3HB
Polysaccharide	Xylane	Co-culture of Saccharophagus degradans und Bacillus cerues, Burkholderia cepacia, Pseudomonas multivorans und Pseudomonas cepacia	P3HB
Zucker-Melasse	Zuckerrüben-Melasse	Haloferax mediterranei DSM 1411	PHBV (86–14)
Zucker-Melasse	Zuckerrüben-Melasse	Alicaligenes latus, Ralstonia eutropha, Haloferax meduterranel, Azotobacter vinelundi	P3HB, P(3HB-3HV), P(3HB-4HB)
Zucker-Melasse	Zuckerrohr-Melasse + Fructose, Glucose, Saccharose, Glycerin	Pseudomonas aeruginosa NCIM 2948	P3HB
Zucker-Melasse	Malz-Zucker-Abfall	Azohydromonas australica, (früher Alcaligenes latus), Azotobacter vinelandii	P3HB
Polysaccharide-Stärke	Hydrolysierte Kartoffelstärke	Halomonas boliviensis LC1	P3HB
Polysaccharide-Stärke	Hydrolisierte Kartoffelstärke + Valeriansäure, Hydrolisierte Weizenstärke + Valeriansäure	Caldimonas taiwanensis	PHBV (80–10)
Polysaccharide-Stärke	Hydrolysierte Maniokstärke (Cassava) + Valeriansäure, Maisstärke + Valeriansäure	Caldimonas taiwanensis,	PHBV (87–13)
Fette und Öle	Pflanzenöle	Ralstonia eutropha	P3HB
Fette und Öle	Olivenöl, Maisöl, Palmöl, Ölsäure	Cupriavidus necator H16, (früher Hydrogenomonas eutropha H16), (früher Alcaligenes eutrophus H16), (früher Ralstonia eutropha H16), Wautersia eutropha H16	P3HB
Fette und Öle	Olivenöl	Aeromonas hydrophilia, Aeromonas caviae	mcl-PHA, P3HB-3HHX
Fette und Öle	Abwasser der Olivenölmühlen	Haloferax mediterranei DSM 1411	PHBV (94-6)
Fette und Öle	Palmkernöl, Rohes Palmöl, Fettsäuren aus Palmöl und Palmkernöl	Cupriavidus necator	mcl-PHA
Fette und Öle	Sojabohnenöl	Pseudomonas stutzeri	mcl-PHA
Fette und Öle	Erdnussöl, Rizinusöl, Senföl, Sesamöl	Comamonas testosteroni	P3HB
Fette und Öle	Senföl	Pseudomonas aeruginosa	PHA
Fette und Öle	Kokosöl, Talgöl	Pseudomonas saccharophilia	mcl-PHA
Fette und Öle	Talg-basierter Biodiesel	Pseudomonas citronellolis, Pseudomonas oleovorans, Pseudomonas stutzeri	mcl-PHA, P3HHX, P3HO
Fette und Öle	Bratöl-Abfall	Ralstonia eutropha	P3HB, P(3HB-3HV)
Lactose, Milchzucker	Molke	Escherichia coli harbouring A. latus genes	P3HB
Lactose, Milchzucker	hydrolisierte Molke	Haloferax mediterranei	P3HB3HV
Lactose, Milchzucker	Lactose + Saccharose	Hydrogenophaga pseudoflava ATCC 33668, DSM 1034	P3HB3HV
Alkohole	Methanol	Methylobacterium extorquens, Methylobacterium organophilum	P3HB
Fettsäuren	Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure, Ölsäure	Burkholderia sp. USM JCM 15050[10]	P3HB
Fettsäuren	Pelargonsäure	Pseudomonas putida KT2440	mcl-PHA
Fettsäuren in Algen	Agarose	Co-culture of Saccharophagus degradans und Bacillus cerues	P3HB
Fettsäuren in Algen	Alge Corallina mediterranea	Halomonas pacifica ASL 10, Halomonas salifodiane ASL11	PHA-Nanopartikel
Cellulose	Hemicellulose Hydrolysat	Burkholderi cepacia ATCC 17759	P3HB
Cellulose	Cellulose-Sigmacell	Saccharophagus degradans	P3HB
Cellulose	α-Cellulose	Saccharophagus degradans	P3HB
Cellulose	Silage	Haloferax mediterranei DSM 1411	PHBV (85–15)
gasförmige Kohlenwasserstoffe	Methan	Methylotroph spp. Hefe	P3HB
gasförmige Kohlenwasserstoffe	Kohlendioxid, CO2	Cupriavidus necator H16, (früher Hydrogenomonas eutropha H16), (früher Alcaligenes eutrophus H16), (früher Ralstonia eutropha H16), (früher Wautersia eutropha H16)	P3HB
flüssige Kohlenwasserstoffe	n-Octan	Pseudomonas oleovorans, Pseudomonas citronellolis	mcl-PHA, P3HHx, P3HO, P3HD
flüssige Kohlenwasserstoffe	Benzol, Ethylbenzol, Toluol, Styrol, p-Xylol	Pseudomonas fluva TY16, Pseudomonas putida F1, Pseudomonas putida CA-3	mcl-PHA
Nukleinbasen, Nukleinsäuren	Adenin, Purine	Blastobotrys adeninivorans	PHA
Nährstoffe	Nährstoffe in Salzseen mit hoher Salzkonzentration	Methylaspartatzyklus	PHA

Die zitierten Literaturwerke enthalten umfangreiche Tabellen mit: Mikroorganismen-Stämmen, Kohlenstoff-Quellen, Art der gebildeten PHAs, Trockenmasse der Bakterien, PHA in der Fermentationslösung, PHA-Anteil an der trockenen Zellmasse und Ausbeute an PHA bezogen auf die Substratmenge. Die vollständigen Tabellen in den Artikeln können über den DOI als Volltext heruntergeladen werden.^{[3][6][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18]}

Analytik

Eine Vielzahl von Methoden wurden zur Charakterisierung des PHA Gehaltes in den Mikroorganismen entwickelt. Zum Einsatz kommen: Fourier Transformation Infrared (FTIR), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), X-ray Röntgenbeugung (XRD), Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Optisches Mikroskop, Fluoreszenzmikroskopie, UV/VIS-Spektroskopie, Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung (GCMS), Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC).^[4]

Eigenschaften

Je nach chemischer Zusammensetzung (Homo- oder Copolyester, enthaltene Hydroxycarbonsäuren) unterscheiden sich die Eigenschaften der PHAs:.

• Nicht toxisch, daher für Lebensmittelverpackungen geeignet.
• Bioverträglich und damit für medizinische Anwendungen geeignet.
• Sie sind als hochwertige, therapeutische oder pharmazeutische Materialien wie wärmeempfindliche Klebstoffe, Trägermaterialien für die kontrollierte, in vivo Freisetzung von Arzneimitteln, Führungsleitungen beim Reparieren von Nervenbahnen, Implantaten, antimikrobielle Nähte, intelligente Latex, Maschen oder als Gerüststrukturen bei der Gewebezüchtung geeignet.^[19]
• Gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit.
• Zeigen eine geringe Permeation von Wasser.
• Weisen Aroma-Barriere-Eigenschaften auf.
• Gute Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung.
• Schlechte chemische Beständigkeit gegenüber Säuren und Basen.
• In Wasser unlöslich.
• Löslich in Chloroform und andere chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Dichlormethan; Cyclische Ester wie Ethylencarbonat oder 1,2-Propylencarbonat
• Relativ widerstandsfähig gegen hydrolytischen Abbau.
• Mit einer Dichte von 1200 kg/m³ sind sie schwerer als Wasser. Sie sinken im Gegensatz zu Polypropylen in Wasser ab.
• Das Absinken erleichtert den anaeroben Bioabbau in Sedimenten.
• Weniger klebrig als herkömmliche, geschmolzene Polymere.
• Vertragen im Gegensatz zu anderen bio-basierten Kunststoffen wie Polymere aus Polymilchsäure teilweise Temperaturen bis ca. 180 °C.
• Der kristalline Anteil kann im Bereich von wenigen bis zu 70 % liegen.
• Rein aus Polyhydroxybuttersäure synthetisiertes PHB-Polymer hat eine hohe Kristallinität und ist daher relativ spröde und steif.
• Verarbeitbarkeit, Schlagfestigkeit und Elastizität verbessern sich durch höhere Valeriat-Anteile im Co-Polymer (PHBV).
• PHB-Copolymere, die auch andere Fettsäuren wie z. B. Beta-Hydroxyvaleriansäure enthalten, erhöhen die Elastizität.^[13][20][21]

Eigenschaft	Abkürzung	[Einheit]	Homopolymer scl-PHA	Homopolymer mcl-PHA	Copolymer P(3HB- co-3HV)	Copolymer P(3HB 94- -co-3HD 6)
Schmelztemperatur	Tm	[°C]	160–179	80	137-170	130
Glasübergangstemperatur	Tg	[°C]	2-4	−40	−6 bis 10	−8
Kristallisationsgrad	Xcr	[%]	40–60
Elastizitätsmodul, Young’s Modul	E-modul	[GPa]	1–3,5		0,7-2,9
Zugfestigkeit	${\displaystyle \sigma _{\mathrm {M} }}$	[MPa]	5-15	20	bis 690	17
Reißdehnung	ε	[%]	1–40	300	30-38	680
Wasserdampftransmissionsrate	WVTR	[g·mm/m²·Tag]	2.36
Sauerstoff-Transmissionsrate	OTR	[cc·mm/m²·Tag]	55.12

^[13][14][18]

PHA-Gewinnung

Die PHA-Gewinnung aus der Biomasse wendet eine Abfolge verschiedener Techniken an:

Biomasseernte

Die Biomasseernte ist die Konzentration von Biomasse mit Techniken wie Filtration oder Zentrifugieren.

Vorbehandlung und Zerstörung der Zellmembranen

Da PHAs intrazelluläre Polymere sind, ist es notwendig, die Biomasse vor der PHA-Gewinnung zu konzentrieren. Zu den Techniken gehören Trocknungstechniken (Lyophilisierung und thermische Trocknung), Schleifen, chemische, enzymatische und biochemische Vorbehandlungen. Der Vorbehandlungsschritt kann zwei oder mehr Methoden kombinieren.

Die Zerstörung der nicht-PHA-Zellmasse (NPCM) kann mechanisch, chemisch, enzymatisch, biologisch oder osmotisch erfolgen.

PHA-Extraktion

PHA Extraktion und Fällung

Bei der PHA-Solubilisierung wird das PHA aus der bakteriellen Biomasse zuerst in organischen Lösungsmitteln gelöst und dann durch den Einsatz eines Alkohols ausgefällt. Als Lösungsmittel kommen „wässrige, glykolhaltige zwei Phasensysteme“, „halogenierte Lösungsmittel“ z. B. heißes Chloroform, Methylenchlorid, „nicht halogenierte Lösungsmittel“ wie Methyl-Isobutyl-Keton (MIBK), Butylacetat (BA), Ethyl Acetat (EA), Isoamylalkohol (IA) oder „Extraktion mit überkritischen Flüssigkeiten“ zur Anwendung.^[3][22]

Bei der Fällung wird die Unlöslichkeit von PHA in eiskaltem Methanol und die Löslichkeit von NPCM in einem Lösungsmittel ausgenutzt. Nach der Fällung werden die PHA durch Zentrifugieren abgetrennt und danach getrocknet.^[3]

Beim Verfahren nach Heinrich und Kollegen wurde Natriumgluconat mit Ralstonia eutropha kultiviert. Die Bakterienzellen wurden 68 h bei 30 °C gezüchtet und durch kontinuierliche Zentrifugation geerntet. Die gefriergetrocknete und pulverisierte Zellmasse wurde in 13 vol % wässrigen Natriumhypochloritlösung suspendiert. Bei einer Biomassekonzentration von mehr als 30 g L-1 (Gew./Vol.) war die Natriumhypochloritlösung gesättigt. Der Aufschluss der Nicht-Poly (3-HB) -Biomasse (NPCM) in Natriumhyperchlorit bei pH von 12,3 war sehr exotherm und intensive Kühlung war notwendig. Das Aussedimentieren des Polymers konnte durch Wasserzugabe beschleunigt werden. Die Sedimentation des Polymers ging mit einer klaren Trennung einher und das sedimentierte Poly (3HB) konnte einfach vom Überstand dekantiert werden. Das isolierten Poly (3HB) wurde zweimal mit Wasser und einmal mit Isopropanol gewaschen. Der Rest an Isopropanol wurde abgedampft. Danach war kein Geruch von Hypochlorit im Produkt mehr vorhanden. Das extrahierte und gereinigte Polymer erschien als weißes Pulver mit einer Reinheit von 93 bis 98 Gew. %. Die maximale Wiederfindung, die in Bezug auf die Anfangskonzentration von Poly (3HB) in den Zellen erreicht werden konnte, betrug ca. 87 %.^[23]

PHA Extraktion mit Hilfe von Tensiden

Die nichtionischen Tenside Triton X-100, Triton X114 und Tergitol 6 bauen bei hohem pH die Bakterienzellmembranen ab und zerstören oder denaturieren andere Zellbestandteile und setzen das PHA frei. Darauf folgt eine kurze Behandlung mit Bleichmittel, die die Reinigung abschließt.^[24]

Beim Verfahren nach Strazzullo wird die Zellmasse in destilliertem Wasser gelöst und mit Hilfe von Ultraschall vollständig dispergiert. Durch Zugabe von Natriumlaurylsulfat als Tensid und Wärmezufuhr können die PHAs aufgeschlossen werden.^[4]

PHA Extraktion durch Enzymatische Behandlung

Der Aufschluss der Zellmembranen und die Freisetzung der Polyhydroxyalkanoate kann durch den Einsatz von Enzymen wie Lysozym, Nukleasen oder Proteasen wie z:B. proteases Corolase® L10, Alcalase® 2.4L, Corolase® 7089, Protemax® FC, glycosidases Celumax® BC, Rohament® CL oder Rohalase® Barley erfolgen. Es konnten Ausbeuten von 93 % P(3HB‐co‐3HV) mit 94 % Reinheit erzielt werden.^[25]

Biologisches Extraktionsverfahren von PHAs

Die Bioextraktion von PHA aus Zellen ist ein alternativer Ansatz für eine umweltfreundliche und nachhaltige Methode mit dem Ziel, den Verbrauch von giftigen Lösungsmitteln und starken Chemikalien zu minimieren. Die Idee der Bioextraktion beinhaltet die Verwendung eines lebenden Organismus, um das Polymer aus den Zellen zu extrahieren.

Ein Beispiel ist die Verfütterung der Zellen, die intrazelluläre PHAs enthalten, an Insekten. Mehlwürmer wurden mit gefriergetrockneten Zellen von C. necator gefüttert. Ihre weißlichen Kotpellets enthielten die PHAs. Die PHA-Polymer haltigen Pellets wurden mit Wasser, Natriumhydroxid oder einer geringen Konzentration an Tensiden wie Natriumdodecylsulfat oder Natriumdodecylbenzolsulfonat gewaschen. Nach der Wäsche betrug die Reinheit von biologisch extrahiertem PHAs 89 %. Das Molekulargewicht (Mw) des biologisch gewonnenen PHB war mit dem des mit Chloroform extrahierten PHB vergleichbar. Dies weist darauf hin, dass das biologische Extraktionsverfahren das Molekulargewicht von PHB-Granulat nicht abbaute und die anderen Eigenschaften nicht veränderte.^[26]

Polieren und Trocknen

Als letzte Schritte können die gewonnenen PHAs poliert werden, indem Rückstände, aus den vorherigen Schritten entfernt oder getrocknet werden.^[16][27][28]

Industrielle Fertigung

Geschichte

P3HB (Poly-3-hydroxybutyrat) wurde erstmals 1925 durch den französischen Mikrobiologen Maurice Lemoigne (1883–1967), im Bacillus megaterium entdeckt.^[29] Erst in den 1960er Jahren konzentrierte sich die Wissenschaft auch auf andere von Bakterien produzierte PHA, nämlich P3HV (Poly-3-hydroxyvalrat) und P3HHx (Poly-3-hydroxyhexanoat). Bis 2006 waren etwa 150 verschiedene PHA bekannt. Das Unternehmen ICI entwickelte in den 1980er Jahren ein Material, um seine Produktion in einer Pilotanlage zu testen. Durch die kommerzielle Produktion wurden diese Materialien billiger und sie wurden in großen Mengen für verschiedene Anwendungen mit großem Potenzial in der Medizin getestet.

Das Interesse ließ jedoch nach, als klar wurde, dass die Materialkosten zu hoch waren und seine Eigenschaften nicht mit denen von Polypropylen vergleichbar waren.

1996 erwarb Monsanto alle Patente für die Polymerherstellung von ICI / Zeneca und verkaufte ein Copolymer aus PHBV (Poly (3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat)) unter der Marke Biopol. Monsanto verkaufte seine Rechte an Biopol jedoch 2001 an das US-amerikanische Unternehmen Metabolix und schloss Anfang 2004 ihre Kulturanlage, in der PHB aus Bakterien hergestellt wurde. Im Juni 2005 erhielt das amerikanische Unternehmen Metabolix einen Presidential Green Chemistry Challenge Award für die Entwicklung und Vermarktung einer kostengünstigen Methode zur Herstellung von PHAs im Allgemeinen, einschließlich PHB.^[30]

Die wichtigsten PHA Produzenten

Liste der Produktionsfirmen:^{[4][13][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40]}

Firma	Handelsname	Produkt	Land, (Ort, Region)	Rohmaterial	Kapazität (Tonnen/ Jahr)
Archer Daniels Midland Company (ADM); Metabolix		PHA	USA (Clinton, Iowa)	Getreideabfälle	50.000
BASF SE	Ecoflex	PHB, PHBV Blend mit Ecoflex	Deutschland	Stärke
BASF S.A. Brazil	ecovio,	PHA Blend mit PLA, Ecoflex	Brasilien (São Paulo)
Biocycle PHA Industrial		P3HB	Brasilien (Serrano)	Zuckerrohr	15.000 /2008
Biomatera Inc.	Biomatera	PHBV, PHA resins	Kanada	Zucker, nachwachsende Rohstoffe
Biomer	Biomer	PHB	Deutschland (Schwalbach)	Zucker, nachwachsende Rohstoffe
Biome Bioplastics Ltd.		PHBV, PHA resins	England (Southampton)	Nachwachsende Rohstoffe
Biotechnology Co., Biomer	Biomer P209, P226, P300, P304, P316	PHB Granulat, PHB Kugeln	Deutschland, (Krailling)	Sucrose	1.000 t/a, Erweiterung auf 10 t/a
Bio-On Srl.	Minerv Bio Cosmetics, Minerv-PHA	PHA, PHB, PHBVV	Italien, (Castel San Pietro Terme bei Bologna)	Diverse Agroprodukte, Agrarabfälle, Zuckerrüben Abfälle	10.000 t/a
Blue PHA Beijing Blue Crystal Microbial Technology Co., Ltd.		P4HB, P3HP, PHV, P3HP3HB, P3HP4HB	China (Peking)
Bluepha Co., Ltd.		PHA	China (Jiangsu Binhai)		5.000 t/2022 erweitert auf 25.000 t/a
CJ-Bio		PHA	Indonesien (Pasuran)		5.000 t/a
CJ CheilJedang, mit Metabolix’s Technologie		PHA	Süd-Korea (Seoul)		Pilotanlage
Danimer Scientific	Novax PHA, Nodax	mcl-PHA, PHBHx, PHBO, PHB0d	USA (Winchester, Kentucky)	Kalt gepresstes Canolaöl, Algen	8.000 t/a
Danimer Scientific Inc. (Meredian) ehemals Procter & Gamble	Nodax	mc-PHA, PHBH, PHBO, PHBOd	USA (Bainbridge, Georgia)	Rapssamen-Öl	91.000, Ziel 272.000 t/a
FKuR	Bio-Flex	PHA	Deutschland (Willich)	Getreide, Zuckerrohr, Castor Öl
Fujian Greenjoy/ Danimer Scientific	NodaxPHA, TephaFlex	PHA, P4HB	China (Quanzhou City, Fujian)	Rapssamen, Sojabohnen, Pflanzensamen
Fujian Beststar Biological Materials Co., LTD.		PHBV	China (Fuzhou, Fujian)
Full Cycle Bioplastics	Full Cycle’s PHA	PHA	USA (San Jose, Kalifornien, USA)	Organische Abfälle, Essenabfälle, Holzabfälle, Abwasser
Genecis		PHA	Kanada (Scarborough, Ontario)	Essenabfälle
Jiangsu Nantian Group Co., LTD.; Tsinghua University	Jiangsu Nantian PHA	P3HB	China (Nantong)		10
Kaneka Corporation und P&G Chemicals	AONILEX, Kaneka	3-PHB, PHBH, PHBV, P(3HB-co-3HHx)	Japan (Takasago)	Pflanzenöle	5.000 Ziel 100 t/a
Mango Materials Co., LTD.	Yopp+	PHA	USA (Berkeley)	Methan-Biogas	Pilotplant 100 kg/w
Meredian Holdings Group Inc., Danimer Scientific	Nodax PHA	mc-PHA	USA (St. Bainbridge, Georgia)	Rapssamenöl	10.000
Metabolix Inc., Archer Daniels Midland		mc-PHA	USA (Clinton, Iowa)		50.000 angestrebt.
MHG ehemals P&G Chemicals	Nodax, Nodak	PHBH, PHA	USA, (St. Bainbridge, Georgia)	Getreide, Zuckerrübe, Pflanzenöl, Canolaöl	10.000
NaturePlast		PHA	Frankreich (Mondeville)
RWDC		PHA	USA (Athens, Georgia)		Anlage License von Bio-on
TAIF		sc-PHA	Russland (Tatarstan)		10.000 License von Bio-on
Micromidas, Inc.		PHA	USA (West Sacramento, CA)	Abwasser, Deponiematerial
Nafigate Corporation		PHB	Tschechien (Prag)	Abfall Küchenöle.
Newlight Technologies LLC	AirCarbon	PHA resins, PHB, PHBV, PHBH	USA (Minnetonka, Minnesota)	Luft Kohlenstoff, Methan-Emissionen	23.000
Ningbo Tianan Biologic Material Co., Ltd.	Enmat Y1000	PHBV	China (Zhejiang, Ningbo)		2.000
PHA Industries Inc.		PHA	USA (Orange, MA)		Lohnhersteller
PHB Industrial S.A., Biocycle	Biocycle, B1000, B189C-1, B18BC-1, B189D-1	PHB, PHBV,	Brasilien, (Serrana, Sao Paulo)	Zuckerrohr,	4.000/2006 Ziel zu erweitern auf 15.000 t/a
PolyFerm Inc.	VersaMer PHAs,	mcl-PHA, P(HB-co-HHX)	Kanada (Harrowsmith, ON)	Zucker, Pflanzliche Öle	3.000
Polyscience Inc.	Poly[(R )-3-Hydroxybutyric Acid] (PHB)	P3HB	USA (Warrington)
RWDC Industries	Solon	mc-PHA	USA (Athens, Ga); Singapore (Singapore)	Kochölabfälle, Pflanzenöle	32.000 t/a
Siemens, BASF, Technische Universität München, Universität Hamburg		Grünes Polymer mit 70 % PHB	Deutschland (München, Hamburg)	Palmöl, Stärke
Shenzen Ecomann Biotechnology Co. Ltd	Ecomann Biosesin	PHA-Granulat, PHA-biopolymer blends, PHA-polyolefine blends, PHA-nanoclay compositions, P(3HB-co4HB), PHBV, PHBH	China (Guangdong)	Zucker, Glucose	5.000 Ziel 75.000 t/a
Sirim Bioplastic		PHA verschiedene, PHBV	Malaysia (Shah Alam, Selangor)	Palmöl, Palmölmethylester, Palmkernöl	2. Pilotanlage
Telles LLC Jointventure zwischen Archer Daniels Midland Company und Yield10 Bioscience, früher Metabolix	M VERA, Mirel F1006, Mirel P5001	PHB-PLA Copolymers, mehrere PHAs mit drei bis 6 Kohlenstoffe	USA, (Clinton Iowa)	Glucose/ Zucker aus Getreide	50.000
Tepha Medical Devices Inc.	TephaFlex[41]	P3HB, P(3HB-co-4HB), PH4B, P(3HB-co-3HV), P(3HO-3HHx)	USA (Lexington)
TianAn Biologic Materials Co., Ltd., TianAn Biopolymer	Enmat Y1000P, Y3000P, Enmat	PHBV Pellets, PHB/PHBV	China, (Beilun District, Ningbo City, Zhejiang Province)	Dextrose/ Glucose von Getreide, Tapioka	2.000/2004
Tianjin GreenBio Material Co., Ltd.	GreenBio, Sogreen	P(3HB-co-4HB), Filme, Granulat, Schaum-Granulat	China (Binhai District in Tianjin) / Niederlande	Zucker	10.000
Tianzhu	Tianzhu	PHBH, P(3HB-co-3HHX)	China		Pilotanlage
Yield10 Bioscience Inc., früher Metabolix Inc. und BP	Mirel	PHA	USA (Woburn, Massachusetts)	Camelina Samen (Leindotter)
Yikeman ShanDong		P(3HB-co-4HB)	China (Liwan, Guangzhou)		3000

Verarbeitung und Verwendung

PHA-Polymere bergen großes Potential als Ersatzmaterial für Massenkunststoffe wie, z. B. Polypropylen(PP), besonders im Bereich der Verpackungen und Beschichtungen. Der Anteil von PHA an den 2020 weltweiten Kapazitäten für Bioplastik in Höhe von 2,11 Millionen Tonnen/Jahr beträgt 1,7 %.^[42]

PHA-Polymere sind thermoplastisch auf konventionellen Anlagen verarbeitbar und sind je nach Zusammensetzung verformbar und mehr oder weniger elastisch.

Verarbeitet werden PHA vor allem im Spritzguss, durch Extrusion und Extrusionsblasen zu Folien und Hohlkörpern. PHA ist ein Thermoplast das beim 3D-Druck als Schmelzmaterial eingesetzt werden kann. Die Produktformen lassen sich durch Biegen, Druck, Zug und Zugdruck umformen und gestalten. So entstehen Flaschen, Golf-Tees, Schreibstifte, Behälter für Kosmetika.

Kunststoffe aus PHA finden als biologisch abbaubare Elastomere und Thermoplaste Verwendung, so zum Beispiel als Einweg-Verpackungsmaterial, insbesondere für Lebensmittel. Strohhalme daraus sind resistent gegen heiße Flüssigkeiten, ohne den Geschmack der Getränke zu verändern.^[43]

In der Landwirtschaft können PHAs z. B. als Folien bzw. als Mulchfolien die zum Stoppen der Unkrautkeimung dienen, und in Aquakulturen als Biofilmträger zur Denitrifikation eingesetzt werden.^[44]

Im Gartenbau werden PHA für Pflanzblumentöpfe eingesetzt oder kompostierbare Sammeltüten für organischen Abfall sind aus PHA.^[45]

Ein weiteres mit PHA verbundenes Interesse ist seine Biokompatibilität mit lebenden Gewebe.

Es findet in der Medizintechnik Anwendung bei Implantate als Fixierungsmaterial und bei orthopädischen Prothesen z. B. als Nieten, Heftklammern, Schrauben (einschließlich Interferenzschrauben), orthopädische Stifte, Stents, Gefäßklappen, Schlingen, Knochenplatten und Knochenbeschichtungssysteme zur Knochenverstärkung, als Knochentransplantatersatz.

PHA werden in medizinischen Bereichen eingesetzt, z. B. als vom Körper resorbierbare Materialien wie Nahtmaterialien; Chirurgische Netze, zur Regeneration von geführtem Gewebe z. B. Nervenführungen, Regeneration von Gelenkknorpel, Sehnen, Meniskus; als Band- und Sehnenimplantate, Augenzellimplantate; Adhäsionsbarrieren; als Wundauflage und Hämostate, Herz-Kreislauf-Pflaster, Perikardpflaster; als Hautersatz.

PHA ist für implantierte pharmazeutische Depotpräparate geeignet.^[46]

Es wird ihr Einsatz als Hygieneartikel (, z. B. Windelbestandteile), Fasern, Klebstoffe, Bestandteile von Toner- und Entwicklerflüssigkeiten, Träger von Geschmacksstoffen in Lebensmitteln und biologisch abbaubare Fischernetze erprobt und getestet.^[47]

In der Kosmetik ersetzt PHA insbesondere Mikroplastik. PHA kann die Formulierung verdicken.

Je nach Co-monomer Zusammensetzung und Molekulargewicht lassen sich die PHA einsetzen als: Multifilament; Spinnvlies; Synthetisches Papier; als Latex zur Papierbeschichtung, Schäume; Spritzguss; Starre, geblasene Formen; Thermoformen; Geblasene Filme und Folien; Film für Gussformen; Elastomerer Film; Haftvermittler; Klebstoff.^[13]

PHA als Verdickungs- und Bindemittel in technischen Schmierstoffen.^[48]

In der Abwasserbehandlung können elektrogesponnene Nanofaserfolien aus Poly(3-hydroxybutyrat) [P(3HB)] und Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyhexanoat) [P(3HB-co-3HHx)] Phenol und der Verbindungen adsorbieren und abtrennen.^[49]

Abbaubarkeit und Ökologie

PHA zerfallen je nach Kettenlänge, Compound, Blend oder deren Verbundwerkstoff beim biologischen Abbau in der industriellen Kompostierung und in Biogasanlagen ebenso wie auf dem heimischen Komposthaufen, in Erde und im Meer vergleichsweise schnell und zu 100 %.^[45]

Der biologische Zersetzungsprozess kann sowohl an der Luft als auch im Wasser stattfinden. So bauen sich Implantate wie Schrauben, die nach Knochenbrüchen eingesetzt werden, oder chirurgisches Nahtmaterial ohne weiteren Eingriff ab. Aber auch in PHA eingearbeitete Medikamente und Wirkstoffe sind zur zeitlich gezielten Freisetzung im menschlichen Körper einsetzbar.^[11][47]

In DE102015214766 wird der Einsatz von PHA als biologisch kompostierbare Kaffeekapseln beschrieben. Ihr Einsatz wird in bioabbaubaren Lösungsmitteln und als elektrisch leitendes Polymer beschrieben.^[17]

Weblinks

• Biopolymere – Rohstoffe für innovative Medizinprodukte auf biooekonomie-bw.de
• Zulfiqar Ali Raza, Sharjeel Abida, Ibrahim M.Banat: Polyhydroxyalkanoates: Characteristics, production, recent developments und applications, Review. In: International Biodeterioration & Biodegradation. Band 126, Januar 2018, S. 45–56, doi:10.1016/j.ibiod.2017.10.001. 
• Harvey Williams, Patricia Kelly: Polyhydroxyalkanotes; Biosynthesis, Chemical Structures and Applications, Nova, Complimentary Contributor Copy
• Elodie Bugnicourt; Patrizia Cinelli; Vera Alejandra Alvarez; Andrea Lazzeri: Polyhydroxyalkanoate (PHA): Review of synthesis, characteristics, processing and potential applications in packaging, eXPRESS Polymer Letters 8(11):791-808 · June 2014

Einzelnachweise

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2. Yoshiharu DOI, Alexander Steinbuchel: Biopolymers. Wiley-VCH, Weinheim, Deutschland 2002, ISBN 3-527-30225-5. 
3. Siddharth Priyadarshi, Anubha Shukuöa, Babasaheb Bhaskarrao Borse: Polyhydroxyalkanoates: Role of Ralstonia eutropha. In: International Journal of Biomedical and Advance Research. 2. Mai 2014, doi:10.7439/ijbar (researchgate.net). 
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13. Elodie Bugnicourt, Patrizia Cinelli, Vera Alvarez, Undrea Lazzeri: Polyhydroxyalkanoate (PHA): Review of synthesis, characteristics, processing and potential applications in packaging. In: eXPRESS Polymer Letters. Band 8, Nr. 11, 2014, S. 791–808, doi:10.3144/expresspolymlett.2014.82. 
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16. Constantina Kourmentza, J. Plácido, N. Venetsaneas, A. Burniol-Figols, C. Varrone, H. N. Gavala, M. A. Reis: Recent Advances und Challenges towards Sustainable Polyhydroxyalkanoate (PHA) Production (Review). In: Bioengineering. Band 4, Nr. 2, Juni 2017, S. 8–50, doi:10.3390/bioengineering4020055, PMID 28952534, PMC 5590474 (freier Volltext). 
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