بولي هيدروكسي ألكانوات

البولي هيدروكسي ألكانوات، أو PHAs، هي بوليسترات تُنتجها العديد من الكائنات الحية الدقيقة في الطبيعة، بما في ذلك من خلال التخمر البكتيري للسكريات أو الدهون . [ 1 ] عند إنتاجها بواسطة البكتيريا ، ^{تُستخدم كمصدر للطاقة} ومخزن للكربون. يمكن دمج أكثر من 150 مونومرًا مختلفًا ضمن هذه العائلة لإنتاج مواد ذات خصائص شديدة التباين. ^{[ 2 ]} هذه المواد البلاستيكية قابلة للتحلل الحيوي وتُستخدم في إنتاج البلاستيك الحيوي . ^{[ 3 ]}

يمكن أن تكون إما مواد حرارية أو مواد مطاطية ، ^{[ 4 ]} مع نقاط انصهار تتراوح من 40 إلى 180  درجة مئوية.

يمكن أيضًا تغيير الخصائص المادية والتوافق الحيوي لـ PHA عن طريق المزج أو تعديل السطح أو دمج PHA مع بوليمرات أخرى أو إنزيمات أو مواد غير عضوية، مما يوسع نطاق التطبيقات. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

لتحفيز إنتاج البولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) في المختبر، يمكن وضع مزرعة من كائن حي دقيق، مثل بكتيريا Cupriavidus necator ، في وسط غذائي مناسب وتغذيتها بالعناصر الغذائية اللازمة لتكاثرها بسرعة. بمجرد وصول عددها إلى مستوى كبير، يمكن تغيير تركيبة العناصر الغذائية لحث الكائن الحي الدقيق على تصنيع البولي هيدروكسي ألكانوات. قد تصل نسبة إنتاج البولي هيدروكسي ألكانوات من الحبيبات الخلوية إلى 80% من الوزن الجاف للكائن الحي. ^{[ 7 ]}

عادةً ما ينتج التخليق الحيوي لـ PHA عن نقص في بعض العناصر الغذائية (مثل نقص العناصر الكبرى كالفوسفور والنيتروجين والعناصر النزرة، أو نقص الأكسجين) ووفرة مصادر الكربون. ^{[ 8 ]} ومع ذلك، فإن انتشار إنتاج PHA في المزارع الأحادية أو في مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة المختلطة قد يعتمد أيضًا على محدودية المغذيات بشكل عام، وليس فقط على العناصر الكبرى. ويتجلى هذا بوضوح في طريقة دورة "الوفرة/الندرة" لتحفيز إنتاج PHA، حيث يُضاف الكربون ويُستنفد دوريًا لإحداث حالة من الندرة، مما يشجع الخلايا على إنتاج PHA خلال فترة "الوفرة" كآلية تخزين لفترات الندرة.

تترسب البوليسترات على شكل حبيبات عالية الانكسار داخل الخلايا. وبحسب الكائن الحي الدقيق وظروف الاستزراع، تُنتج بوليمرات متجانسة أو مشتركة مع أحماض هيدروكسي ألكانويك مختلفة. ثم تُستخلص حبيبات البولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) بتكسير الخلايا. ^{[ 9 ]} استُخدمت سلالات مُعاد تجميعها من بكتيريا Bacillus subtilis ، وهما pBE2C1 و pBE2C1AB، في إنتاج البولي هيدروكسي ألكانوات (PHA)، وقد ثبتت قدرتهما على استخدام مخلفات الشعير كمصدر للكربون لخفض تكلفة إنتاج PHA. ^{[ 10 ]}

إنزيمات PHA synthases هي الإنزيمات الرئيسية في عملية التخليق الحيوي لـ PHA. تستخدم هذه الإنزيمات الإنزيم المساعد A - ثيوإستر الأحماض الدهنية (r)-هيدروكسي كركائز. ويختلف نوعا إنزيمات PHA synthases في استخدامهما المحدد للأحماض الدهنية الهيدروكسية ذات السلاسل القصيرة أو المتوسطة.

يتكون البولي هيدروكسي ألكانوات الناتج من نوعين:

• يتم تصنيع بولي (HA SCL) من الأحماض الدهنية الهيدروكسيلية ذات أطوال السلسلة القصيرة التي تشمل من ثلاثة إلى خمسة ذرات كربون بواسطة العديد من البكتيريا، بما في ذلك Cupriavidus necator و Alcaligenes latus ( PHB ).
• يمكن إنتاج بولي (HA MCL) من الأحماض الدهنية الهيدروكسيلية ذات أطوال السلسلة المتوسطة التي تشمل من ستة إلى 14 ذرة كربون، على سبيل المثال، بواسطة Pseudomonas putida .

تقوم بعض البكتيريا، بما في ذلك Aeromonas hydrophila و Thiococcus pfennigii ، بتصنيع البوليستر المشترك من النوعين المذكورين أعلاه من الأحماض الدهنية الهيدروكسيلية، أو على الأقل تمتلك إنزيمات قادرة على القيام بجزء من هذا التخليق.

يمكن إجراء عملية تصنيع أخرى على نطاق أوسع بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة في التربة. ففي ظل نقص النيتروجين والفوسفور، تنتج هذه الكائنات كيلوغرامًا واحدًا من البولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) لكل ثلاثة كيلوغرامات من السكر.

أبسط أشكال PHA وأكثرها شيوعًا هو الإنتاج التخميري لـ poly-beta-hydroxybutyrate [poly(3-hydroxybutyrate), P(3HB)]، والذي يتكون من 1000 إلى 30000 من مونومرات الأحماض الدهنية الهيدروكسيلية.

في الإنتاج الصناعي لـ PHA، يتم استخلاص البوليستر وتنقيته من البكتيريا عن طريق تحسين ظروف التخمر الميكروبي للسكر أو الجلوكوز أو الزيت النباتي .

في ثمانينيات القرن العشرين، طورت شركة إمبريال للصناعات الكيميائية بولي (3-هيدروكسي بوتيرات- كو -3-هيدروكسي فاليرات) تم الحصول عليه عن طريق التخمير، وأطلق عليه اسم "بيوبول". تم بيعه تحت اسم "بيوبول" وتوزيعه في الولايات المتحدة من قبل شركة مونسانتو، ولاحقًا من قبل شركة ميتابوليكس . ^{[ 11 ]}

يمكن استخدام الكربوهيدرات، مثل الجلوكوز والسكروز، كمواد خام للتخمير، بالإضافة إلى الزيوت النباتية أو الجلسرين الناتج عن إنتاج وقود الديزل الحيوي. ويعمل الباحثون في هذا المجال على تطوير طرق لإنتاج محاصيل معدلة وراثيًا تُعبّر عن مسارات تخليق البولي هيدروكسي ألكانوات (PHA) من البكتيريا، وبالتالي تُنتج PHA كمخزن للطاقة في أنسجتها. وتعمل عدة شركات على تطوير طرق لإنتاج PHA من مياه الصرف الصحي، بما في ذلك شركة أنوكسكالدنيس التابعة لشركة فيوليا ^{[ 12 ]} ، والشركات الناشئة: ميكروميداس ^{[ 13 ]} ، ومانجو ماتيريالز ^{[ 14 ] [ 15 ]،} وفول سايكل بايوبلاستيكس ^{[ 16 ]} ، ونيولايت، وباكيس بيوميتيريالز ^{[ 17 ] [ 18 ]} .

تتم معالجة البوليمرات الهيدروكسية بشكل رئيسي عن طريق قولبة الحقن والبثق وبثق الفقاعات إلى أغشية وأجسام مجوفة.

بوليمرات PHA هي بوليمرات حرارية، ويمكن معالجتها باستخدام معدات المعالجة التقليدية، وهي، اعتمادًا على تركيبها، قابلة للطرق ومرنة بدرجات متفاوتة. ^{[ 19 ]} وتختلف خصائصها وفقًا لتركيبها الكيميائي (متجانس أو مشترك، يحتوي على أحماض دهنية هيدروكسيلية).

تتميز هذه المواد بثباتها ضد الأشعة فوق البنفسجية ، على عكس أنواع البلاستيك الحيوي الأخرى المصنوعة من بوليمرات مثل حمض البوليلاكتيك ، وتتحمل درجات حرارة تصل إلى 180 درجة مئوية ، كما أنها تُظهر نفاذية منخفضة للماء. تتراوح نسبة التبلور فيها بين بضع ذرات إلى 70%. تتحسن قابلية المعالجة، ومقاومة الصدمات، والمرونة مع زيادة نسبة الفاليرات في المادة. تذوب البوليمرات الهيدروكسية الألكانوية (PHAs) في المذيبات الهالوجينية مثل الكلوروفورم ، وثنائي كلورو الميثان، وثنائي كلورو الإيثان . ^{[ 20 ]}

يُشابه البولي هيدروكسي بيوتيريك (PHB ) البولي بروبيلين (PP) في خصائصه المادية، ويتميز بمقاومة جيدة للرطوبة وخصائص عازلة للروائح. أما حمض البولي هيدروكسي بيوتيريك المُصنّع من PHB النقي فهو هش وصلب نسبيًا. بينما قد تكون بوليمرات PHB المشتركة، التي قد تحتوي على أحماض دهنية أخرى مثل حمض بيتا هيدروكسي فاليريك، مرنة.

نظراً لقابليتها للتحلل الحيوي وإمكانية استخدامها في إنتاج مواد بلاستيكية حيوية ذات خصائص جديدة، يوجد اهتمام كبير بتطوير استخدام المواد القائمة على البولي هيدروكسي ألكانوات (PHA). وتندرج مادة PHA ضمن الاقتصاد الأخضر كوسيلة لإنتاج البلاستيك من مصادر غير أحفورية. علاوة على ذلك، تُجرى أبحاث مكثفة حول التحويل الحيوي " لإعادة تدوير " النفايات البلاستيكية (مثل بولي إيثيلين تيريفثالات وبولي يوريثان ) إلى PHA باستخدام بكتيريا الزائفة البوتيدية . ^{[ 21 ]}

إن البوليمر المشترك PHA المسمى PHBV (بولي(3-هيدروكسي بوتيرات-كو-3-هيدروكسي فاليرات)) أقل صلابة وأكثر متانة، ويمكن استخدامه كمادة تغليف.

في يونيو 2005، حصلت شركة Metabolix الأمريكية على جائزة التحدي الرئاسي للكيمياء الخضراء (فئة الشركات الصغيرة) لتطويرها وتسويقها لطريقة فعالة من حيث التكلفة لتصنيع البوليمرات الهيدروكسية الألكانوية. ^{[ 22 ]}

توجد تطبيقات محتملة لـ PHA المنتجة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة ^{[ 2 ]} في الصناعات الزراعية ^{[ 23 ]} والطبية والصيدلانية، ويرجع ذلك أساسًا إلى قابليتها للتحلل البيولوجي.

شملت تطبيقات التثبيت وتقويم العظام الخيوط الجراحية، ومثبتات الخيوط، وأجهزة إصلاح الغضروف الهلالي ، والمسامير ، والدبابيس، والبراغي (بما في ذلك براغي التداخل)، وصفائح العظام وأنظمة تثبيت العظام، والشبكات الجراحية، ورقع الإصلاح، والأشرطة، ورقع القلب والأوعية الدموية، ودبابيس تقويم العظام (بما في ذلك مواد زيادة حجم العظام)، وحواجز الالتصاق ، والدعامات ، وأجهزة إصلاح/تجديد الأنسجة الموجهة، وأجهزة إصلاح الغضروف المفصلي ، وموجهات الأعصاب، وأجهزة إصلاح الأوتار ، وأجهزة إصلاح عيوب الحاجز الأذيني ، ورقع التامور، وعوامل التعبئة والحشو، وصمامات الأوردة ، وسقالات نخاع العظم، وأجهزة تجديد الغضروف الهلالي، وطعوم الأربطة والأوتار، وزرعات الخلايا العينية ، وأقفاص دمج العمود الفقري، وبدائل الجلد، وبدائل الأم الجافية ، وبدائل طعوم العظام، ودعامات العظام، وضمادات الجروح، وملاقط النزيف . ^{[ 24 ]}

• موهاباترا، س.؛ ساركار، ب.؛ سامانتاراي، د.ب.؛ داواري، أ.؛ مايتي، س.؛ باتنايك، س.؛ بهاتاشارجي، س. (2017). "التحويل الحيوي لمخلفات الأسماك الصلبة إلى بولي هيدروكسي بوتيرات باستخدام عملية التخمير المغمور القائمة على بكتيريا العصوية الرقيقة". التكنولوجيا البيئية . 38 (24): 1-8 . Bibcode : 2017EnvTe..38.3201M . doi : 10.1080/09593330.2017.1291759 . PMID: 28162048. S2CID : 1080507 .  
• موهاباترا، سواتي؛ مايتي، سوديبتا؛ داش، هيراك رانجان؛ داس، سوراجيت؛ باتنايك، سواتي؛ راث، تشاندي شاران؛ سامانتراي ، ديفيبراساد (ديسمبر 2017). " العصية والبوليمر الحيوي: الآفاق والتحديات" . تقارير الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية . 12 : 206– 13. دوى : 10.1016/j.bbrep.2017.10.001 . بمك 5651552 . بميد 29090283 .