Poliidrossialcanoati

I poliidrossialcanoati (PHA) sono polimeri poliesteri termoplastici sintetizzati da vari generi di batteri (Bacillus, Rhodococcus, Pseudomonas, ecc.) attraverso la fermentazione di zuccheri o lipidi. Questi materiali sono biodegradabili e sono usati nella produzione di bioplastiche.

Sono macromolecole lineari, che 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 al 90% del peso secco della massa batterica.

Composizione

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

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 che può essere ramificato o lineare e contenere sostituenti di vario tipo. Si parla di poliidrossialcanoati a catena corta, quando nel monomero ci sono 3-5 atomi di carbonio, a catena media quando ci sono 6-14 atomi di carbonio, a catena lunga con 15 o più atomi di carbonio. I batteri del genere Ralstonia producono poliidrossialcanoati a catena laterale corta, mentre gli Pseudomonas producono poliidrossialcanoati a catena laterale media.^[1]

La grande variabilità delle catene laterali e dei monomeri conferisce a tali materiali altrettanta variabilità di caratteristiche fisiche^[2], 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.

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.

Il generale, gli atomi di idrogeno determinano la degradazione termica di questi materiali. L'instabilità termica li rende difficilmente lavorabili mediante fusione e anche difficilmente soggetti al riciclo.^[3]

Principali poliidrossialcanoati prodotti in natura

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

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.^[4]

Proprietà dei materiali

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. I poliidrossialcanoati sono solubili in solventi alogenati come cloroformio, o dicloroetano.^[5] 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

^ (EN) Vibhuti Sharma, Rutika Sehgal e Reena Gupta, Polyhydroxyalkanoate (PHA): Properties and Modifications, in Polymer, vol. 212, 6 gennaio 2021, pp. 123161, DOI:10.1016/j.polymer.2020.123161. URL consultato il 21 ottobre 2021.
^ Doi, Y e Steinbuchel, A., Biopolymers, Weinheim, Germany, Wiley-VCH, 2002.
^ Researchers redesign class of polymers naturally created by living microorganisms, su Phys.org, Università del Colorado, DOI:10.1126/science.adg4520.
^ N. Jacquel, CW Lo, YH Wei, HS Wu, SS Wang, Isolation and purification of bacterial poly(3-hydroxyalkanoates), in Biochemical Engineering Journal, vol. 39, n. 1, aprile 2008, pp. 15-27, DOI:10.1016/j.bej.2007.11.029.
^ N. Jacquel e et al., Solubility of polyhydroxyalkanoates by experiment and thermodynamic correlations, in AlChE J., vol. 53, n. 10, 2007, pp. 2704-2714, DOI:10.1002/aic.11274.

Bibliografia

M. Valera, Poliidrossialcanoati polimeri biodegradabili del futuro? (prima parte), in Chimica & Industria, giugno 2001, pp. 1-7. URL consultato il 13/12/2012.

M. Valera, Poliidrossialcanoati polimeri biodegradabili del futuro? (seconda parte) (PDF) ^{[collegamento interrotto]}, in Chimica & Industria, settembre 2001, pp. 57-60. URL consultato il 13/12/2012.

Voci correlate

Controllo di autorità	GND (DE) 4310811-8

[1] (EN) Vibhuti Sharma, Rutika Sehgal e Reena Gupta, Polyhydroxyalkanoate (PHA): Properties and Modifications, in Polymer, vol. 212, 6 gennaio 2021, pp. 123161, DOI:10.1016/j.polymer.2020.123161. URL consultato il 21 ottobre 2021.

[doi-2002-2] Doi, Y e Steinbuchel, A., Biopolymers, Weinheim, Germany, Wiley-VCH, 2002.

[3] Researchers redesign class of polymers naturally created by living microorganisms, su Phys.org, Università del Colorado, DOI:10.1126/science.adg4520.

[4] N. Jacquel, CW Lo, YH Wei, HS Wu, SS Wang, Isolation and purification of bacterial poly(3-hydroxyalkanoates), in Biochemical Engineering Journal, vol. 39, n. 1, aprile 2008, pp. 15-27, DOI:10.1016/j.bej.2007.11.029.

[5] N. Jacquel e et al., Solubility of polyhydroxyalkanoates by experiment and thermodynamic correlations, in AlChE J., vol. 53, n. 10, 2007, pp. 2704-2714, DOI:10.1002/aic.11274.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]