Ottimizzazione statistica di P(3HB

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9005 (2023) Citare questo articolo

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Il poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesanoato) [P(3HB-co-3HHx)] è un copolimero batterico della famiglia dei poliidrossialcanoati (PHA), una bioplastica di nuova generazione. Il nostro gruppo di ricerca ha recentemente progettato un nuovo ceppo batterico produttore di P(3HB-co-3HHx), Cupriavidus necator PHB−4/pBBR_CnPro-phaCRp. Questo ceppo può produrre P (3HB-co-2 mol% 3HHx) utilizzando olio di palmisti grezzo (CPKO) come unico substrato di carbonio. Tuttavia, il miglioramento della produzione del copolimero P(3HB-co-3HHx) da parte di questo ceppo non è stato finora studiato. Pertanto, questo studio mira a migliorare la produzione di copolimeri P (3HB-co-3HHx) contenenti composizioni monomeriche 3HHx più elevate utilizzando la metodologia della superficie di risposta (RSM). Nella scala del pallone sono stati studiati tre fattori significativi per la produzione di copolimeri P(3HB-co-3HHx), vale a dire la concentrazione di CPKO, la concentrazione di esanoato di sodio e il tempo di coltivazione. Come risultato, è stato ottenuto un massimo di 3,6 ± 0,4 g/L di P(3HB-co-3HHx) con composizioni 3HHx al 4% in moli utilizzando la condizione ottimizzata RSM. Allo stesso modo, la composizione monomerica più elevata di 3HHx (5% in moli) è stata ottenuta aumentando la fermentazione in un bioreattore con agitatore da 10 litri. Inoltre, le proprietà del polimero prodotto erano simili al P(3HB-co-3HHx commercializzabile), rendendo questo polimero adatto a un'ampia gamma di applicazioni.

L’inquinamento da plastica è emerso come una delle sfide ambientali globali più critiche. Evidentemente, la pandemia di COVID-19 ha contribuito a un’enorme ondata di plastica monouso a base di petrolio, ad esempio guanti, tute mediche protettive, maschere, flaconi disinfettanti per le mani, plastica da asporto, contenitori per alimenti e kit per test medici1,2. Queste plastiche convenzionali non sono biodegradabili e possono rimanere nelle discariche e in mare per molti anni, influenzando in modo significativo la qualità del suolo, l’attività microbica, la fauna e la flora3. L’ingresso nella catena alimentare comporta un rischio per la salute umana4. A causa di queste preoccupazioni, le plastiche biodegradabili con un impatto ambientale minimo o nullo hanno guadagnato popolarità come alternative alla plastica a base di petrolio. Inoltre, si prevede che faranno parte delle future economie circolari che aiuteranno a raggiungere alcuni aspetti degli Obiettivi di sviluppo sostenibile (SDG) delle Nazioni Unite5,6.

I poliidrossialcanoati (PHA) sono poliesteri prodotti in natura come composto di accumulo intracellulare accumulato come riserva energetica da alcuni batteri e archaea in condizioni di stress7,8. I PHA sono materiali termoplastici con proprietà paragonabili ai tradizionali polimeri a base di petrolio come il polipropilene (PP) e il polietilene (PE)9,10. È interessante notare che il polimero della famiglia dei PHA dimostra un'eccezionale biodegradabilità anche se esposto all'acqua di mare11, rendendo i PHA un promettente sostituto delle plastiche a base di petrolio. I PHA sono classificati in due gruppi in base al numero di atomi di carbonio nei costituenti monomerici: PHA a catena corta (SCL-PHA, C3-C5), costituiti da 3-5 monomeri di carbonio, e PHA a catena media (MCL -PHA, C6-C14), che consistono in 6-14 monomeri di carbonio nelle unità 3-idrossialcanoate12,13.

Attualmente sono stati identificati più di 150 tipi di PHA14, inclusi omopolimeri e copolimeri, ad esempio poli(3-idrossibutirrato) [P(3HB], poli(3-idrossibutirrato-co-4-idrossibutirrato) [P(3HB-co -4HB)], poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossivalerato) [P(3HB-co-3HV)], poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesonato) [P(3HB-co-3HHx)] Tra i copolimeri PHA, il poli(3-idrossibutirrato-co-3-idrossiesanoato) [P(3HB-co-3HHx)] è straordinariamente desiderabile grazie alla sua flessibilità superiore e alla somiglianza con vari popolari polimeri a base di petrolio, che lo rendono più applicabile ad applicazioni pratiche rispetto all'omopolimero rigido P(3HB).15,16 Inoltre, grazie alla sua eccellente biocompatibilità e biodegradabilità, P(3HB-co-3HHx) è un copolimero candidato adatto per applicazioni biomediche17.