Polyhydroxyalkanoate

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.

(c) Berserker79 aus der englischsprachigen Wikipedia, CC BY-SA 3.0

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-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:

Ein „-Co-“ wird verwendet, um das Copolymer anzuzeigen

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

PHAs können über verschiedene Wege unter Verwendung unterschiedlicher Kohlenstoffquellen synthetisiert werden: PHAs werden in Bakterienzellen durch einen Stoffwechselprozess synthetisiert.^[3]

Die PHA-Synthese wird durch PHA-Synthasen, das sind Schlüsselenzyme und Co-Enzym der Bakterien aktiviert. 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.^[3][4][5]

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.^[6]

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 herstellen.

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. Die Biopolyester werden in Form von wasserunlöslichen, stark lichtbrechenden Granula als Energie-Speicherstoffe in den Zellen abgelagert.

Die Abtrennung der akkumulierten PHAs aus den Bakterien erfolgt in Extraktionsverfahren.

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${\displaystyle ^{4}}$ und 3,0 × 10${\displaystyle ^{6}}$ 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 wesentlich mittelkettige in mcl-PHA.

Bei reinen Substraten entstehen Homopolyester. 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 dem Verhältniss der Subtrate 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.^[7]

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).^[8]

Eine Übersicht über die Umwandlung von Abfallströmen als auch von petrochemischem Plastikabfall als Kohlenstoffquelle in Biopolymere PHA beschreiben Khatami und Kollegen.^[9]

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

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.^{[6][5][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19]}

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).^[3]

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

• Die lamellare Struktur von PHB trägt zu den hervorragenden Gasbarriereeigenschaften mit einer Dampfdurchlässigkeit von etwa 560 g µm/m${\displaystyle ^{2}}$ /Tag bei, was sie für Lebensmittelverpackungen im unteren Preissegment geeignet macht.^[7]
• 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.^[20]
• Zeigen eine geringe Permeation von Wasser.
• Gute Barriereeigenschaften gegenüber Sauerstoff, Kohlendioxid und Feuchtigkeit.
• Weisen Aroma-Barriere-Eigenschaften auf.
• Gute Beständigkeit gegen Feuchtigkeit.
• 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 bildet große Kristalle in Form von Spherulit. Es 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 und den Temperaturbereich der Verarbeitbarkeit.^{[7][14][21][22]}

^{[14][15][19][23]}

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

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

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.

PHA reichert sich intrazellulär in Form von Granulat im Zytoplasma der Bakterienzellen an [32]. Deshalb ist es wichtig, die Zellwand aufzubrechen, um die PHAs zu extrahieren. Zu den Verfahren des Zellaufschlusses zur Zerstörung der nicht-PHA-Zellmasse (NPCM) gehören Lösungsmittelextraktion, chemischer Aufschluss, Aufschluss mit überkritischen Flüssigkeiten, enzymatische biologische Behandlung, Aufschluss in Kugelmühlen, Ultraschallverfahren, Detergenzien, Flotationsverfahren, osmotische Verfahren, Gammabestrahlung und wässrige Zweiphasensysteme.^[24]

Bei der PHA-Solubilisierung wird die bakteriellen Biomasse zuerst in organischen Lösungsmitteln gelöst, um die Permeabilität der Zellmembran zu modifizieren, die Zellwände aufzubrechen und das Polymer aufzulösen. Als Lösungsmittel kommen „wässrige, glykolhaltige zwei Phasensysteme“, „halogenierte Lösungsmittel“ z. B. heißes Chloroform (1:100 w/w Biomasse zu Chloroform), Methylenchlorid, 1,2-Dichlorethan „nicht halogenierte Lösungsmittel“ wie Methyl-Isobutyl-Keton (MIBK), Butylacetat (BA), Ethyl Acetat (EA), Propylen (PC)- und Ethylencarbonat (EC), Isoamylalkohol (IA) oder „Extraktion mit überkritischen Flüssigkeiten“ zur Anwendung.^[24][6][25] Unter den verfügbaren Extraktionsmethoden ist die Lösungsmittelextraktion mit Chloroform die bevorzugte Extraktionsmethode für PHA. Die Chloroform-Extraktion ist im Vergleich zu den anderen Methoden nicht komplex und sehr effektiv zur Trennung des PHB-Granulats. Darüber hinaus kann hochreines und hochmolekulares PHB ohne den Abbau von PHB-Molekülen gewonnen werden. Der Nachteil der Lösungsmittelextraktion mit Chloroform ist, dass große Mengen an giftigen und flüchtigen Lösungsmitteln verwendet werden, um die Permeabilität der Zellmembran zu modifizieren und das Polymer aufzulösen.^[7][24]

Nach langem Rühren wird das erste Lösungsmittel abdestilliert. Die verbliebene Nicht-PHA-Masse wird in Alkohol wie Methanol oder Ethanol gelöst, und die PHA aus dem eiskalten Alkohol gefällt. Nach der Fällung werden die PHA durch Zentrifugieren abgetrennt und danach getrocknet.^[6]

Beim Verfahren nach Heinrich und Kollegen wurde Poly-3-hydroxybutyrat (Poly-3HB) 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 Natriumhypochlorit 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 Ausbeute, die in Bezug auf die Anfangskonzentration von Poly (3HB) in den Zellen erreicht werden konnte, betrug ca. 87 %.^[24][26]

Da jedoch die reine Behandlung mit Natriumhypochlorit das Molekulargeicht der PHBs senkt, wird bei Lösungsmittelextraktion zur Gewinnung von PHB die Zellmasse mit einer Dispersion einer Natrium-Hypochloritlösung und Chloroform behandelt. Danach werden drei getrennte Phasen erhalten, wobei die obere Phase die Hypochloritlösung enthält. In der mittlere Phase sammeln sich die Nicht-PHA-Zellmaterialien und ungestörte Zellen. Die untere Chlor-Phase enthält die P(3HB). Das Polymer wird dann ausgefällt und filtriert. Durch die Verwendung der Kombination der Lösungsmittel wird bei dieser Aufschluss Methode der Abbau des Polymers deutlich reduziert. Unter optimalen Bedingungen – 30 % (w/v) Hypochlorit, 1:1 Volumenverhältnis von Chloroform zu wässriger Phase, 4 % (w/v) Zellen in Dispersion, 30 ◦C, 90 min Behandlung konnten 91 % P(3HB) Ausbeute aus R. eutropha mit eine hohe Reinheit, die 97 % erzielt werden. Jedoch benötigt diese Verfahrensvariante eine große Menge an Lösungsmittel.^[24]

Tenside, wie z. B. das anionische Natriumdodecylsulfat (SDS), zerstören die Zellmembranen, indem sie in die Lipid-Doppelschichtmembran eindringen. Je mehr Tensid hinzugefügt wird, umso mehr geht davon in die Membran und Zellhülle bläht sich auf. Nachdem sie gesättigt ist, bewirkt weitere Tensidzugabe, dass die Zellmembran aufbrechen und Mizellen mit Tensid und Membrane-Phospholipide entstehen. Die PHA-Granulate werden in die Lösung, umgeben von den Zelltrümmern abgegeben. Nach Abtrennung werden sie, um hohe Reinheit zu erhalten, mit Natriumhypochlorit und Natronlauge gewaschen.^[24]

Das Tensid Palmitoylcarnitin löst Zellenmembranen auf. Die Lyserate von Cupriavidus necator überschritten 70 %, während die Aspergillus latus bei über 85 % lag. (1 mM Palmitoylkarnitin in 0,1 M Tris-HCl-Puffer, pH 7,0, 30 ◦C, 60 min). Obwohl Tenside die Zellwände auflösen, wird das Polymergranulat nicht abgebaut.^[24]

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.^[27]

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.^[3]

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 bei dem komplexen Prozess Ausbeuten von 93 % P(3HB‐co‐3HV) mit 94 % Reinheit erzielt werden.^[28]

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.^[7][29]

Kunasundari et al. haben die Verwendung von Sprague-Dawley-Ratten zur teilweisen Reinigung der PHB-Granulate patentiert. Die Ratten erhielten 7, 14 und 28 Tage lang gefriergetrocknete Zellen von C. necator H16 als einzige Nahrungsquelle. Die Sterblichkeitsrate lag während der gesamten Studie bei Null. Die Ratten mit Bakterienzelldiät produzierten geruchsarme weiße Kotpellets mit einem PHA-Gehalt von 87-90 Gew.-%, während die Ratten der Kontrollgruppe normale schwärzliche Kotpellets ausschieden und kein PHA nachgewiesen wurde. Die Schmelztemperatur (T m ) und der Kristallinitätsgrad (X c ) des gewonnenen biologisch gewonnenen Polymers liegen im durchschnittlichen Bereich und es wurden keine signifikanten Abweichungen von PHB durch Lösungsmittel festgestellt.^[7]

Als letzte Schritte können die gewonnenen PHAs poliert werden, indem Rückstände, aus den vorherigen Schritten entfernt oder getrocknet werden.^[17][30][31]

P3HB (Poly-3-hydroxybutyrat) (HB)wurde erstmals 1925 durch den französischen Mikrobiologen Maurice Lemoigne (1883–1967), im Gram-positiven Bakterium. „Bacillus megaterium“ (Priestia megaterium) entdeckt als intrazelluläres Speicherpolymere für Kohlenstoff und Energiereserve.^[32] Erst in den 1960er Jahren konzentrierte sich die Wissenschaft auch auf andere von Bakterien produzierte PHA, nämlich P3HV (Poly-3-hydroxyvalrat) (HV) und P3HHx (Poly-3-hydroxyhexanoat) (HX). Bis 2006 waren etwa 150 verschiedene PHA bekannt. Die Monomereinheiten HV, HB, und HX sind die häufigeren.

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. Das deutsche Haarpflegeunternehmen Wella stellte 1992 die erste kommerzielle Flasche auf Basis von PHBV her.^[33] Das amerikanischen Unternehmen ICI verwendete PHB und PHBV als wasserdichte Folien für Windelüberzüge. 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.^[34]

Es wird der Einsatz von PHA als Hygieneartikel (, z. B. Windelbestandteile), Fasern, Klebstoffe, Bestandteile von Toner- und Entwicklerflüssigkeiten, Träger von Geschmacksstoffen in Lebensmitteln und biologisch abbaubare Fischernetze, Material für Bindemittel, Vliesstoffe, elastische Verpackungen, synthetisches Papier, tiefgezogene Artikel, medizinische Geräte und Verbrauchsmittel, Material für Filme, Folien und Membranen; medizinischen Anwendungen wie Gerüste für eine Herzklappe, Knorpel, Gewebe, Verabreichungssysteme sowie Mikro- und Nanosphären erprobt und getestet.^[23][33]

Liste der Produktionsfirmen:^{[3][14][24][35][36][37][38][39][40][41][42][43][44]}

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.

Optimal nachbearbeitete elektrogesponnene PHA-Fasern wiesen eine ähnliche Steifigkeit auf wie herkömmliche formgepresste PHA-Folien, jedoch mit verbesserter Bruchdehnung und Zähigkeit.^[33]

Je nach Zusammensetzung der Comonomere 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^[14]; als Verdickungs- und Bindemittel in technischen Schmierstoffen.^[46]

PHA-Polymere bergen großes Potential als Ersatzmaterial für Massenkunststoffe wie, z. B. Polypropylen(PP), besonders im Bereich der Verpackungen und Beschichtungen und in der Landwirtschaft.^[33]

PHA-basierte Folien sind aufgrund ihrer Ungiftigkeit, biologischen Abbaubarkeit und nützlichen Wasserdampfbarriereeigenschaften für Lebensmittelverpackungen interessant. Die hohen Produktionskosten schränken ihre Anwendung in der Lebensmittelindustrie jedoch ein. Es gibt verschiedene Methoden zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit, darunter die Mischung mit anderen Biopolymeren wie Stärke und PLA. PHA-basierte Materialien werden als Beschichtung für Kartons in der Lebensmittelverpackungsindustrie verwendet. Auch Lebensmittelverpackungen aus PHAs mit organischen oder anorganischen Füllstoffen sind denkbar.

Trinkbecher aus PHA haben eine angenehme Haptik.

Die ersten Mainstream-Anwendungen von PHAs waren die Verpackungen und Beschichtungen, die in der Kosmetik und in Alltagsgegenständen wie Fläschchen, Flaschen und Behältern verwendet wurden.

PHA kann in der Kosmetik die Formulierung verdicken. PHA kann in der Kosmetik das dort eingesetzte Mikroplastik ersetzen. Im Jahr 2018 stellte das in Italien ansässige Unternehmen Bio-on SpA PHA-Mikrokügelchen her, die die herkömmlichen nicht biologisch abbaubaren Mikrokügelchen ersetzen sollen, die in großem Umfang in Kosmetika, Körperwaschmitteln und Reinigungsmitteln verwendet werden. Die biologische Abbaubarkeit der PHA-Mikrosphäre kann die Belastung durch Mikroplastik verringern.^[7]

Im Jahr 2019 ging Danimer Scientific, ein führender Hersteller von biologisch abbaubarem Kunststoff, eine Partnerschaft mit UrthPact ein, um Trinkhalme aus Nodax™ PHA-Material herzustellen. 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.^[47]

(c) Kenneth Allen, CC BY-SA 2.0

In der Landwirtschaft können PHAs z. B. als Mulchfolien aus PHB oder P(3HB-co-3HHx), zur Erhaltung einer guten Bodenstruktur, zur Feuchtigkeitsspeicherung, zum Stoppen der Unkrautkeimung, und in Aquakulturen als Biofilmträger zur Denitrifikation eingesetzt werden.^[48]

Im Gartenbau werden PHA für Pflanzblumentöpfe eingesetzt, des Weiteren sind kompostierbare Sammeltüten für organischen Abfall aus PHA im Angebot.^[49]

Kontrolled released Mikrokapseln aus PHA-Kapseln geben Pestizide und Herbizide in der Landwirtschaft gezielt ab. Mikroverkapselte (PHB/PLA-Fasern) enthalten Harnstoff oder Langzeitdünger und geben sie beim Abbau langsam ab.^[33]

Modifizierte Fischfanggeräte, die auch mal verloren gehen können, ohne die Umwelt zu belasten.

PHB wirkt als Additiv in Form von kurzkettigen Fettsäuren als Kohlenstoffquelle (Energiequelle), um ein adäquates Mikrobiom im Magen-Darm-Trakt von Fischen zu erhalten. Die Fütterung von Wasserorganismen mit PHB war für die Tiere (europäischen Wolfsbarschen, Regenbogenforellen und chinesischen Wollhandkrebsen) nicht tödlich und wirkte sich sogar positiv auf die Wachstumsrate, das Überleben und die Krankheitsresistenz von Wassertieren aus.^[33]

Die Einarbeitung anderer Biopolymere oder Nanofüllstoffe kann zudem das Kristallisationsverhalten, die thermische Stabilität und die mechanischen Eigenschaften, die für Lebensmittelverpackungen relevant sind, weiter verbessern.^[7]

Entwickelte PHA-Nanoton-Mischungen haben das Ziel, Copolymere so anzupassen, dass sie teilkristalline Copolymerstrukturen erhalten, die maßgeschneiderte Schmelzpunkte haben, sowie deren Sprödigkeit und mechanischen Eigenschaften kontrollieren. Mit PHA-Nanoton-Mischung werden auch Matrixe erhalten, die den charakteristischen Geruch von PHA beseitigen.^[33]

Die Herstellung von Nanokompositen auf Basis von PHA und anderen organischen oder anorganischen Füllstoffen führt zu Kohlenstoffnanoröhrchen und Nanowhiskern.^[33]

ZnO-Nanopartikel können in PHA-Komposits eingearbeitet werden. Sie erhöhen den Kristallinitätsgrad, die Schmelztemperatur und verbessern die thermischen Stabilität. Dies bewirkt eine Abnahme der Wasserdampf- und Sauerstoffdurchlässigkeit. Die Folie kann als antimikrobielle Kunststoffverpackung verwendet werden. Die Zugabe von ZnO-Nanopartikeln in einem Copolymer aus PHBHHx ermöglicht eine Erhöhung der UV-Absorption, wodurch es als UV-blockierendes Material oder als Verpackung geeignet ist.^[33]

Ein weiteres mit PHA verbundenes Interesse ist seine Biokompatibilität mit lebendem Gewebe. Biokomposite, wie z. B. PHB/Hydroxylapatit findet in der Medizintechnik aufgrund ihrer guten Biokompatibilität, osteokonduktiven und Bioaktivität sowie ihrer hohen Steifigkeit und geringen Elastizität Anwendung bei Knochen-Implantaten als Fixierungsmaterial, bei orthopädischen Prothesen z. B. als Nieten, Heftklammern, Schrauben (einschließlich Interferenzschrauben), orthopädische Stifte, Stents, Gefäßklappen, Schlingen, Knochenplatten und Knochenbeschichtungssysteme zur Knochenverstärkung sowie als Knochentransplantatersatz.^[33]

PHA ist für implantierte pharmazeutische Depotpräparate geeignet.^[50]

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

Studien berichteten, dass starke PHB-Fasern mit hoher Zugfestigkeit hergestellt werden können, indem die Fasern nach isothermer Kristallisation in der Nähe der Glasübergangstemperatur für 24 h gestreckt und durch reaktive Extrusion mit Peroxid in einem Schmelzspinnprozess von PHB hergestellt werden.^[7]

Zukünftige Studien werden sich auf die Anwendung von elektrogesponnene PHB-Mikrofasern in verschiedenen technologischen Bereichen konzentrieren; zum Beispiel mit Stearinsäure-modifizierte Doppelschichten, die aus dem Mikro-Nanofaser von SiO und PHBV-Komposite hergestellt werden. Solche Schichten aus superhydrophoben Mikro-Nanofasern aus PHBV-SiO zeigten eine sehr geringe Wassertröpfchenhaftung.^[33]

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.^[51]

Der 3D-Druck erweitert die Anwendungsmöglichkeiten von Biopolymeren, indem er die Herstellung bestimmter Teile mit komplexer Form aus dem Material ermöglicht, ohne dass Formen wie beim Spritzguss erforderlich sind. Die Druckausrichtung einzelner Teile beeinflusst individuell für jeden Bereich die Eigenschaften des Materials.

3D-Drucke aus PLA-PHA-Filamente sind weniger spröde als aus reinem PHB-Filament. Es gibt die Filamente in verschiedenen Farben.

Bei 3D-Werkstücken aus PLA/PHA/Bamboo Fill-Filament, die einer Kompression ausgesetzt werden, wird der Aufbau in fester Konfiguration empfohlen. Dagegen bietet ein zylindrische Architektur eine bessere Druckfestigkeit im Vergleich zur Standardarchitektur.

Bei der Covid Pandemie war eines der Probleme die Umweltverschmutzung durch Einweg-Gesichtsmasken. Nach Studien zu verschiedenen Biopolymeren und deren biologische Abbaubarkeit wurde „PHA BioWOOD Rosa 3D“, ein 100 % natürliches Biopolymer mit einem Holzgeruch, das sich ohne Sauerstoff und Wasser zersetzt, aufgrund seiner ökologischen Nachhaltigkeit ausgewählt und empfohlen.^[33]

Ein Komposit auf der Basis von Poly(3-hydroxybutyrat-co-3-hydroxyvalerat)/Poly(butylenadipat-co-terephthalat; PHBV/PBAT) Kombinationen mit Aluminiumphosphinat (AlPi), nanometrischem Eisenoxid und Antimonoxid als Stabilisator von sauerstoffhaltigen Zwischenstrukturen unterstützt den Flammschutzmechanismus.^[33]

Die Biopolymer-Speichertechnologie ermöglicht es den Forschern, organische Verbindungen direkt bei der bakteriellen PHA Synthese einzukapseln und die Biokapsel entsprechend den Eigenschaften der Verbindung anzupassen. Wird bei dem „One-Pot“ Verfahren das PHA über den Biosynthesewege mit dem E. coli-Stamm synthetisiert und parallel durch einen anderen technisch hergestellten Bakterien Stamm ein Medikament produziert, und Verkapselungsmethoden angewendet, erfolgt die Verkapselung des Medikaments „in vivo“ im PHA, Dies erhöht die Effizienz und senkt die Produktionskosten. Diese „One-Pot“ Methode spart Zeit und kann die Verwendung organischer Lösungsmittel zur Extraktion der biosynthetischen Verbindung vermeiden.^[33]

Die Depolymerisation von PHAs umfasst vier Hauptschritte. Der biologische Abbau von PHAs wird durch intrazelluläre und extrazelluläre PHA-Depolymerasen katalysiert, abhängig vom biophysikalischen Zustand der PHAs.

Bachofen und Kollegen geben eine umfangreiche Liste an Depolymerasen und deren natürlichem Vorkommen an.^[52]

Die Bakterien-Gattungen Achromobacter, Nocardia, Variovorax und Streptomyces. Streptomyces produzieren die größte Menge an PHA-Depolymerasen.^[33]

Der erste Schritt beinhaltet die Adsorption der Bindungsdomäne der PHA-Depolymerase an der Oberfläche der PHAs.

Im zweiten Schritt werden durch die katalytische Wirkung des Enzyms die Hydrolyse und das Aufbrechen und die Spaltung der Polyesterketten gesteuert. Native PHA-Granulate liegen im mobilen, amorphen Zustand vor und sind von einer Schicht aus Lipiden und Proteinen umgeben. Intrazelluläre PHA-Depolymerasen werden von den PHA-akkumulierenden Zellen synthetisiert und hydrolysieren bzw. mobilisieren ihre eigenen nativen PHA-Granula.

Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Algen und Archaeen aus der Umgebung produzieren extrazelluläre PHA-Depolymerasen. Diese spalten/hydolysieren dann die Ketten des extrazelluläre PHA-Polymers. Die enzymatische Hydrolyse verschiedener PHA-Filme hängt stark von der Substratspezifität des aktiven Zentrums in der katalytischen Domäne des PHA-Depolymerase-Enzyms ab.

Die Spaltungen der Polymerketten werden über Endspaltungen (zufällig in der gesamten Kette) und dann durch Exospaltungen (von den Kettenenden) initiiert. Die Spaltung der PHA-Polymerkette führt schließlich zu einer Abnahme des Molekulargewichts und einer Erhöhung der Dispersität.

Bei der Hydrolyse werden im dritten Schritt PHA-Oligomere ähnlich der ursprunglichen Monomere als Polymerbruchstücke hergestellt.

Im vierten Schritt werden die Oligomere durch andere Oligomerhydrolasen weiter umgewandelt, um organische Säure zu erzeugen. Der Mikroorganismus verwertet die organische Säure und zerlegt sie unter aeroben Bedingungen weiter in Kohlendioxid und Wasser während es sich bei den abgebauten Produkten unter anaeroben Bedingungen um Methan handelt. Der letzte Abbau führt zu einer Massenreduktion.^[7] Die biologische Abbaubarkeit von PHAs wird von vielen Faktoren beeinflusst, wie Physikalisch-chemischen Eigenschaften des Polymers (chemische Zusammensetzung, Molekulargewicht, Kristallinitätsgrad, Kristalllamellen, Kristallgröße und Lamellendicke, Glasübergangstemperatur und Oberfläche); Zusammensetzung und Verteilung von PHA-Monomeren, Endgruppen, Geometrie des Polymers; PHA-Verarbeitungstechnik (Lösungsmittelgießfolie, Pellet, Elektrospinnen, Extrusion); klimatischen Faktoren und Bodentypen, Boden-/Wasserbedingungen (Feuchtigkeitsgehalt, Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff- und Nährstoffverfügbarkeit); mikrobielle Population (Bakterien- und Pilzkonsortium und deren Enzyme).^[7]

Die Bestimmung des biologischen Abbaus kann durch mehrere Methoden erreicht werden, darunter sind physikalische Methoden (physikalisches Erscheinungsbild des Polymers, Oberflächenmikromorphologie, Reduzierung der Molekülmasse und Festigkeitseigenschaften), Änderungen des Verhältnisses der chemischen Zusammensetzung durch Reaktivpyrolyse-Gaschromatographie respirometrische Methoden (Gasentwicklung, biochemischer Sauerstoffbedarf) Massenreduktion des Polymers.^[7]

PHA zerfallen je nach Kettenlänge, Compound, Blend oder deren Verbundwerkstoff beim biologischen Abbau in Erde, in der industriellen Kompostierung und in Biogasanlagen, vergleichsweise schnell und zu 100 %.^[49]

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.^[12][33]

In DE102015214766 wird der Einsatz von PHA als biologisch kompostierbare Kaffeekapseln beschrieben. Der PHA Einsatz wird in bioabbaubaren Lösungsmitteln und als elektrisch leitendes Polymer beschrieben.^[18]

• 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 (academia.edu).
• Elodie Bugnicourt, Patrizia Cinelli, Vera Alejandra Alvarez, Andrea Lazzeri: Polyhydroxyalkanoate (PHA): Review of synthesis, characteristics, processing and potential applications in packaging. In: eXPRESS Polymer Letters 8(11): S. 791–808 · Juni 2014 (researchgate.net).