Čo je to vlastne allPHA? Ako baktérie vyrábajú materiál na naše BIOPOTy

allPHA je materiál na báze polyhydroxyalkanoátov (PHA) - skupiny biopolyesterov, ktoré si niektoré baktérie vytvárajú vo svojich bunkách ako zásobu uhlíka a energie. PHA pritom nie je jeden konkrétny polymér, ale celá rodina materiálov s rôznym chemickým zložením a vlastnosťami.

Holandská spoločnosť colorFabb z materiálu allPHA vyrába filament pre 3D tlač a z neho tlačíme naše BIOPOTy.

V tomto článku sa pozrieme na to, čo PHA chemicky je, ako ho baktérie vyrábajú, ako sa z bakteriálneho polyméru stane materiál použiteľný na 3D tlač a prečo existujú biologické mechanizmy, ktoré dokážu PHA opäť rozkladať.

Nie je to nový vynález

PHA rozhodne nie je nový objav.

Prvé pozorovania PHA v bakteriálnych bunkách siahajú až do roku 1888. O desaťročia neskôr začali vedci zisťovať, že nejde o jednu jedinú látku. Výskum z roku 1983 napríklad ukázal, že bakteriálne polyhydroxyalkanoáty môžu obsahovať viacero typov hydroxykyselín, a teda nemusia byť tvorené iba jedným druhom stavebnej jednotky.

Dnes preto hovoríme o rodine PHA polymérov, ktorých vlastnosti sa môžu výrazne líšiť podľa ich chemického zloženia.

„Bakteriálny tuk“ po ľudsky - a trochu po chemicky

V našich článkoch používame zjednodušený pojem bakteriálny tuk. Chemicky presnejšie však ide o polyestery.

PHA sú dlhé polymérne reťazce zložené z menších stavebných jednotiek. Baktérie ich ukladajú vo vnútri buniek vo forme granúl a využívajú ich ako zásobu uhlíka a energie.

Nie je to teda tuk ako olej. Funkčne však plní podobnú úlohu - bunka si doň odkladá prebytočný uhlík na neskoršie využitie.

Jedným z najznámejších členov tejto skupiny je PHB - polyhydroxybutyrát.

A kedy baktéria začne takúto zásobu vytvárať?

Typicky vtedy, keď má dostatok uhlíka, ale začne jej chýbať niektorá ďalšia živina potrebná na rast, napríklad dusík alebo fosfor. Baktéria už nemôže efektívne pokračovať v raste a delení, takže časť dostupného uhlíka uloží vo forme PHA.

Za vhodných podmienok môže PHA tvoriť veľmi významnú časť bunkovej sušiny. Pri niektorých produkčných kmeňoch môže ísť o viac ako 80 % sušiny bunkovej biomasy.

Tri enzýmy, jedna linka

Ak si vezmeme ako príklad výrobu PHB v modelovej baktérii Cupriavidus necator, základná biosyntetická cesta je prekvapivo elegantná.

Podieľajú sa na nej tri hlavné enzýmy:

Výsledkom je napríklad PHB.

Ak sa však do metabolickej cesty dostanú aj iné uhlíkaté substráty, môže vzniknúť polymér s odlišným zložením. Práve zloženie PHA výrazne ovplyvňuje jeho vlastnosti - napríklad kryštalinitu, pružnosť alebo teplotu topenia.

To je jeden z dôvodov, prečo neexistuje iba jeden „PHA materiál“. Rôzne typy a zloženia môžu mať veľmi odlišné vlastnosti.

Prečo sa na materiáloch PHA pracuje aj pre 3D tlač?

Čistý PHB má pomerne náročné spracovateľské vlastnosti. Jeho teplota topenia sa pohybuje približne v oblasti 170-180 °C, pričom pri vyšších teplotách už môže dochádzať k tepelnej degradácii polyméru.

To znamená, že pri spracovaní čistého PHB je technologické okno pomerne úzke.

Práve preto sa pri vývoji PHA materiálov pracuje aj s kopolymérmi a s úpravou ich chemického zloženia. Zmenou pomeru jednotlivých stavebných jednotiek je možné meniť vlastnosti výsledného materiálu - napríklad jeho teplotu topenia, kryštalinitu alebo pružnosť.

Dôležité však je, že tieto vlastnosti nemožno automaticky preniesť na konkrétny materiál allPHA. Jeho presné zloženie a parametre sú vlastnosťou konkrétnej materiálovej formulácie.

Kto v tejto „továrni“ pracuje?

PHA dokáže produkovať množstvo rôznych baktérií.

Patria medzi ne napríklad rody Pseudomonas, Cupriavidus či Bacillus.

Cupriavidus necator je významným prirodzeným producentom PHB a zároveň jedným z najdôležitejších modelových organizmov pre výskum výroby krátkoreťazcových PHA.

Pseudomonas putida sa zase používa ako modelový organizmus pri výskume produkcie strednoreťazcových PHA.

V priemyselnom výskume sa používajú aj geneticky upravené mikroorganizmy, napríklad niektoré kmene E. coli.

Od baktérie po filament

Ako sa teda z materiálu, ktorý vzniká vo vnútri bakteriálnej bunky, dostaneme až ku kvetináču?

Zjednodušene vyzerá proces takto:

Tu je však dôležité rozlíšenie: tento postup opisuje všeobecný princíp výroby PHA. Konkrétny výrobný proces materiálu allPHA je vecou výrobcu materiálu, spoločnosti colorFabb.

Prečo sa PHA môže biologicky rozkladať?

Na PHA je zaujímavé ešte niečo.

Baktérie ho nielen vyrábajú, ale existujú aj biologické mechanizmy, ktoré dokážu PHA rozkladať. Mikroorganizmy používajú enzýmy označované ako PHA depolymerázy, ktoré štiepia polymér na menšie molekuly.

To znamená, že v prírode existujú biologické nástroje schopné tento typ polyméru rozkladať.

Neznamená to však, že sa každý PHA výrobok rozloží všade rovnako rýchlo.

Rýchlosť biologického rozkladu závisí od prostredia - okrem iného od teploty, vlhkosti, aktivity mikroorganizmov a vlastností konkrétneho materiálu.

Preto sa rovnaký materiál nemusí správať rovnako v domácom kompostéri, v skleníku alebo v chladnej pôde.

Pri materiáli allPHA výrobca colorFabb deklaruje biodegradabilitu v podmienkach domáceho kompostovania podľa certifikácie OK compost HOME. To je konkrétna informácia o testovaných podmienkach a nemali by sme ju automaticky zamieňať s tvrdením, že materiál sa bude rovnakou rýchlosťou rozkladať v každom type pôdy.

A práve preto nás zaujíma aj to, čo sa deje s našimi BIOPOTmi priamo v reálnych podmienkach.

Transparentne: čo allPHA je - a čo od neho nečakať

Cena

PHA materiály sú v súčasnosti stále drahšie ako bežné komoditné plasty, ako sú polypropylén alebo polyetylén. Jedným z dôvodov je náročnejšia výroba a menší rozsah priemyselnej produkcie.

Preto je BIOPOT drahší ako klasický plastový kvetináč.

Nie je to však iba otázka ceny materiálu. Pri BIOPOToch nás zaujíma aj to, čo sa s kvetináčom stane po výsadbe.

Rozklad je postupný

BIOPOT nie je navrhnutý tak, aby sa po zasadení do pôdy okamžite rozpadol.

Naše pozorovania z Living Lab na Oravskej biofarme Debnička ukázali, že počas predpestovania BIOPOT drží svoj tvar a prvé viditeľné známky rozkladu sa objavujú postupne.

Ide však o výsledky konkrétneho testu v konkrétnych podmienkach. Rýchlosť rozkladu preto nemožno automaticky preniesť na každú pôdu, každé ročné obdobie alebo každé pestovateľské prostredie.

A práve v tom je celý koncept zaujímavý.

BIOPOT má počas predpestovania fungovať ako kvetináč a po výsadbe sa jeho materiál postupne dostáva do prostredia, v ktorom môžu pôsobiť biologické procesy schopné PHA rozkladať.

Zhrnutie

allPHA nie je nový „vynález“. Vychádza z rodiny polyhydroxyalkanoátov - PHA, ktoré baktérie vytvárajú už prirodzene ako zásobu uhlíka a energie.

Dnes už vieme tento biologický proces využiť na výrobu materiálov s rôznymi vlastnosťami. Z PHA sa tak môže stať aj materiál pre 3D tlač - a z neho následne náš BIOPOT.

Na PHA je pre nás zaujímavé práve prepojenie biológie a materiálového inžinierstva: baktérie polymér vytvárajú a mikroorganizmy zároveň disponujú mechanizmami, ktorými ho dokážu rozkladať.

BIOPOT preto nevnímame iba ako náhradu klasického plastového kvetináča. Je to pokus vytvoriť výrobok, ktorý počas predpestovania plní svoju funkciu a po výsadbe môže ďalej vstúpiť do biologického kolobehu.

Zdroje