Tejsav alapú polimérek Majdik Kornélia, Kakes Melinda Babes Bolyai Tudományegyetem, Kolozsvár
Tartalom Klasszikus polimérek Biopolimérek Politejsav Biodegradació Kutatási eredmények A jövő polimérjei
Polimérek Definíció: polimérnek nevezzük az ismétlődő egységekből felépülő nagyméretű molekulákat, melyekben az egységeket kémiai kötések kapcsolják össze. Az ismétlődő egység neve monomer. Műanyagok: egy vagy több főleg mesterséges úton előállított polimerből és különböző célú adalékanyagokból álló összetett rendszerek
Polimérek jellemzői Jelentése a görög: poly >sok meros >részek Kovalens kötéssel kapcsolódnak a monomerek Természetesek, vagy természetes alapú anyagokból mesterségesek
Műanyagok a gazdaságban Termelés: 1950 ben évente 5 millió tonna ma 80 millió tonna Csomagolási hulladék:
Energia szükséglet Az egyes anyagok előállításának energiaszükséglete összehasonlítva: Egy PET újrahasznosításával annyi energia takarítható meg, amivel egy 60 W os izzó 6 órán át működtethető
Polietilén (PE) Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk CH 2 CH 2 n Felhasználás: Fóliatípusok: hordtáskák, tasakok, szemeteszsákok, csomagolóanyag, papírbevonat Száltípusok: szúnyoghálók, halászhálók, kötelek Rotációs öntés típus: Közepes méretű konténerek Fröccstípus: Tálcák, ételhordók,ülések Vezetékek: Gáz,villanyvezetékek,telefonkábelek érszigetelése
Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk Polipropilén (PP) CH 3 felhasználási módjai: Fóliák,csomagolóanyagok Üreges testek Kanna,ballon,hordó Doboz,láda,sörösrekesz Játékok,sportszerek, n Szilárdsága,vegyszer és vízállósága (jól tisztíthatósága) miatt
Főbb alapanyag típusok és Poli Vinil Klorid (PVC) felhasználásuk Felhasználása: Csomagolás CH 2 CH kozmetikaiparban, palackok Függöny,esőköpeny, padló csövek alapanyaga Kábelszigetelés Csőszerelvénygyártás Műbőr alapanyag Cl n
Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk Polisztirol (PS) CH CH 2 n Felhasználás: Műszeralkatrészek Lámpabúrák ptikai lencsék Ólomüveg utánzat Habanyagok hő és hangszigetelésre
Kérdések? Miből fogjuk előállítani a műanyagot amikor már nem lesz kőolaj? Mi történik a le nem bomló polimérekkel?
Biopolimérek Élő szervezetek által előállított polimerek Élő szervezetek által termelt monomerekből mesterségesen előállított polimérek Monomerjeikből kondenzációval (vízkilépéssel) keletkező, lineáris vagy elágazó láncúak Természetes körülmények között lebomlanak!
Biopolimerek főbb tipusai Biodegradábilis polimerek Biomassza, Agro polimerek Mikroorganizmusok ból Biotechnológia útján Petrokémiai úton Amidon: Liszt Burgonya Kukorica Polizaharidok Proteinek Polihidroxialkanoát Lignocellulóz Fa Pektin Kitozán kitin Állati: Kazein Savó Colagen Növényi: glutén Polihidroxibutirát Polilaktidok Poli tejsav (PLA) Polikaprolakton Poliészteramid Alifás poliészter kopolimerek Aromás poliészter kopoli.
Piaci termékek A világ vezető biopolimér gyártói : NaturaWorks (SUA) NVAMNT (laszország) BASF (Németország) RDENBURG Biopolimers (Hollandia) Kis kapacitású gyártók (Japan)
Polisacharidok D glükózegységekből épülnek fel: Cellulóz: β 1,4 glikozidos kötések (egyenes lánc, rostok) Keményítő: Amilóz(hélix), amilopektin: α 1,4 glikozidos kötések (elágazásnál: α 1,6)
Polisacharidok Glikogén Pektin H CH 2 H H H CH 2 H H CH 2 H H H HN CH 3 HN CH 3 HN CH 3 n
Fehérjék A fehérjék szerkezete III. A kötőerők a polipeptidláncon belül
Nukleinsavak A DNS szerkezete II.
Észterkötések PLIGLIKLSAV CH 2 C n PLITEJSAV CH C CH 3 n PLI (GLIKL TEJSAV) KPLIMER CH 2 C CH C CH 3 n PLIDIXÁN (C H 2 ) 2 CH 2 C n PLI KAPRLAKTN (CH 2 ) 5 C n PLI (3 HIDRXIBUTIRÁT) CH CH 3 CH 2 C n
Politejsav (PLA) Alifás lineáris poliészter közszükségleti cikkek és gyógyászati eszközök előállítása biológiailag lebontható
Kémiai szintézis PC = polycondensation RP =Ring opening polymerization
Tejsav alapú kopolimérek A PLA TDI PEG kopolimerek képződése I. lépés CH 3 H CH C H n CN CH 3 NC NH R NH C C CH C NH R NH CH 3 n C PLA TDI PLA-TDI II. lépés PLA-TDI H CH 2 CH 2 H m PEG NH R NH C C CH CH 3 C n NH R NH C R= CH 3 H H 2 C CH 2 m PLA = poli tejsav TDI = 2,6 toluilén diizocinát PEG = poli etilén glikol Borda J., Bodnár I., Kéki S., Zsuga M. Műanyag és gumi, 2007, 44 évfolyam, 2 szám
Tejsav alapú kopolimérek A tejsavból és glikolsavból képződött kopolimér H CH 3 CH C L-LA H HCH 2 C GA CH 3 H H CH C m CH 2 C A politejsavból és cellulózszármazékokból előállitott kopolimérek n H
Kukoricától a műanyagig Kukorica termesztés Cukrosítási folyamat Tejsavas fermentáció Tejsav alapú műanyagok
Biológiai lebonthatóság Lebontási folyamatok: Mikroorganizmusok hatására (biodegradábilis); Lebomlás hő hatására (oxidativ); UV sugárzás hatására (fotodegradábilis); Cél a teljes lebontás: Víz és C2!
Politejsav villa 0. nap 12. nap 33. nap 45. nap
Kutatási célok: Projekt: BIPLAST 2008 2012, Nr. 1556/2008 Tejsav szintézise és izolálása a tejsavóból Politejsav előállítása, szerkezeti jellemzése Tejsav alapú kopolimerek szintézise Az új biopolimerek lebontási vizsgálata
Kísérleti eredmények D( ) tejsav L(+) tejsav Kereskedelmi tejsav 85 90 % vizes oldat Enantiomér tisztasági vizsgálat: HPLC módszer polarimetriás módszer Azeotróp desztillálás Benzol (benzol víz azeotróp 69.3 C o ) Toluol (toluol víz azeotróp 84.1 C o ) Xilol (Xilol víz azeotróp 132 C o ) Poli tejsav n
Politejsav előállítása Módszerek: Polikondenzáció Laktidok felnyitásával (RP) Polimerizáció Termikus szintézis Mikrohullámú szintézis Katalítikus eljárás Enzimatikus szintézis
Szintézisek Mikrohullámú szintézis: sugárzási energia 800 W hőmérséklet 130 o Cés 170 o C nyomás 80 bar sugárzási idő 1h Hő hatására: 130 o Cés 170 o C végzett polimerizáció reakció idő 5 8h
Enzimatikus szintézis Lipáz enzimek észterkötés Természetes szubsztrátumok R 1 H H lipazã lipazã R 2 R 2 R 2 lipazã R 3 R 3 + R 1 H H + R 3 H H H H + R 2 H R 1,R 2,R 3 = resturi de acizi grasi Kereskedelmi imobilizált lipázok: Baktériumokból izolált lipázok Gombákból izolált lipázok
Enzimatikus szintézis A Candida antarctica ból izolált Lipáz B Másodlagos szerkezet Harmadlagos szerkezet
Kereskedelmi lipázok Baktériumokból izolált: Achromobacter sp. Alcaligenes sp. Arthrobacter sp. Pseudomonas sp. Staphylococcus sp. Chromobacterium sp Gombákból izolált: Aspergillus niger Candida cylindracea Humicola lanuginose Mucor miehei Rhizopus arrhizus Rhizopus delemar, Rhizopus japonicus Rhizopus niveus Rhizopus oryzae
Tejsav monomér trimér dimér monomér
Politejsav tömegspektruma 1215.5 1265.6 1143.5 1193.6 1071.5 1121.5 1049.5 999.5 711.5 783.4 927.4 855.4 977.5 905.5 689.5 833.4 761.5 Intens. 4000 3000 2000 1000 0 600 800 1000 1200 1400 1600 m/z NLajos\Melinda_tejsav: +MS
Tejsav kopolimérek Dikarboxil savak linkerek: Malon sav H H Fumár sav H H Adipin sav H H Malein sav
A jövő biopolimérjei A jövő polimergyártásának három fontos útja: 1) Természetes úton lebomló anyagok 2) A szervezetben lebomló és szövetbarát műanyagok 3) Nagyteljesítményű kompozitok és különleges tulajdonságú polimerek
Polimérek a környezetben
Biopolimérek a környezetben