Tejsav alapú polimérek

Tejsav alapú polimérek Majdik Kornélia, Kakes Melinda Babes‐Bolyai Tudományegyetem, Kolozsvár

Műszaki Kémiai Napok'09

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 Műszaki Kémiai Napok'09

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 Műszaki Kémiai Napok'09

Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk • Polietilén (PE)

CH2

CH2

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 Műszaki Kémiai Napok'09

Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk • Polipropilén (PP)

CH3 n

• felhasználási módjai: – – – – –

Fóliák,csomagolóanyagok Üreges testek Kanna,ballon,hordó Doboz,láda,sörösrekesz Játékok,sportszerek, • Szilárdsága,vegyszer és vízállósága (jól tisztíthatósága) miatt Műszaki Kémiai Napok'09

Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk • Poli‐Vinil‐Klorid (PVC) • Felhasználása: – – – – – – –

CH2

CH Cl

n

Csomagolás kozmetikaiparban, palackok Függöny,esőköpeny, padló csövek alapanyaga Kábelszigetelés Csőszerelvénygyártás Műbőr alapanyag Műszaki Kémiai Napok'09

Főbb alapanyag típusok és felhasználásuk • Polisztirol (PS)

CH

CH2 n

• Felhasználás: – Műszeralkatrészek – Lámpabúrák – Optikai lencsék – Ólomüveg utánzat – Habanyagok hő és hangszigetelésre Műszaki Kémiai Napok'09

Kérdések? • Miből fogjuk előállítani a műanyagot amikor már nem lesz kőolaj?

• Mi történik a le nem bomló polimérekkel? Műszaki Kémiai Napok'09

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! Műszaki Kémiai Napok'09

Biopolimerek főbb tipusai Biodegradábilis polimerek

Biomassza, Agro‐polimerek

Polizaharidok

Proteinek

Amidon: Liszt Burgonya Kukorica

Állati: Kazein Savó Colagen

Ligno‐ cellulóz Fa Pektin Kitozán kitin

Mikroorganizmusok ból

Biotechnológia útján

Polihidroxi‐ alkanoát

Polilaktidok

Polihidroxibutirát

Poli‐tejsav (PLA)

Petrokémiai úton

Polikaprolakton Poliészteramid Alifás‐poliészter kopolimerek Aromás poliészter kopoli.

Növényi: glutén


Piaci termékek • A világ vezető biopolimér gyártói : – NaturaWorks (SUA) – NOVAMONT (Olaszország) – BASF (Németország) – RODENBURG 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 CH 2OH

HO

CH 2OH O O

OH

H CH 3

HN O

CH 2OH

O O

OH


O

OH

OH

CH 3

HN

O

CH 3

HN

n

O

Fehérjék • A fehérjék szerkezete III. A kötőerők a polipeptid‐ láncon belül


Nukleinsavak • A DNS szerkezete II.


Észterkötések O O CH2 C

POLIGLIKOLSAV

n

O O CH C

POLITEJSAV

n

CH3

O

POLI (GLIKOL‐TEJSAV) KOPOLIMER

O CH2

O

C O CH C CH3

n O

POLIDIOXÁN

O

(C H 2)2

O

CH2 C n

O

POLI KAPROLAKTON

O (CH2)5

C

n O

POLI (3‐HIDROXIBUTIRÁT) Műszaki Kémiai Napok'09

O CH CH2 CH3

C

n

Politejsav (PLA) • Alifás lineáris poliészter – közszükségleti cikkek és gyógyászati eszközök előállítása – biológiailag lebontható


Kémiai szintézis

PC = polycondensation ROP = Ring opening polymerization Műszaki Kémiai Napok'09

Tejsav alapú kopolimérek A PLA‐TDI‐PEG kopolimerek képződése CH3

CH3 O I. lépés

H O CH C OH n

OCN

NCO

PLA

TDI

II. lépés PLA-TDI

H O CH2 CH2 OH m PEG

NH R NH C CH O CO NH R NH n CO O CH3 CO PLA-TDI

NH R

NH C

CO

CH O CO n O CH3

NH R

HO H2C CH2

CH3 R=

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 Műszaki Kémiai Napok'09

NH CO

O

m

Tejsav alapú kopolimérek A tejsavból és glikolsavból képződött kopolimér CH3

CH3

H O CH C OH O L-LA

HOCH2 C OH

H OCH C O CH2 C OH

O GA

O

m

O

n

A politejsavból és cellulózszármazékokból előállitott kopolimérek


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 CO2 !


Politejsav villa

0. nap

12. nap

33. nap


45. nap

Kutatási célok: Projekt: BIOPLAST 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 O O n

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 Co) – Toluol (toluol‐víz azeotróp 84.1 Co) – Xilol (Xilol‐víz azeotróp 132 Co) Műszaki Kémiai Napok'09

Poli‐ tejsav

Politejsav előállítása • Módszerek: – Polikondenzáció • Laktidok felnyitásával (ROP)

– Polimerizáció • • • •

Termikus szintézis Mikrohullámú szintézis Katalítikus eljárás Enzimatikus szintézis


Szintézisek

Mikrohullámú szintézis: • sugárzási energia 800 W • hőmérséklet 130oC és 170oC • nyomás 80 bar • sugárzási idő 1h


Hő hatására: • 130oC és 170oC végzett polimerizáció • reakció idő 5‐8h

Enzimatikus szintézis • Lipáz enzimek – észterkötés • Természetes szubsztrátumok OR1 OR2

OH

OH lipazã

OR2

lipazã

OR2

+

R1OH

lipazã

OH OH

OH

OR3

OR3

OH

+

R3OH

R1,R2,R3= resturi de acizi grasi

Kereskedelmi imobilizált lipázok: • Baktériumokból izolált lipázok • Gombákból izolált lipázok Műszaki Kémiai Napok'09

+

R2OH

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 monomér trimér

dimér


Politejsav tömegspektruma 761.5

Intens.

689.5

833.4

4000

0

600

800

1000

1200

NLajos\M el i nda_tejsav: +M S


1265.6

1193.6 1215.5

1143.5

1000

1121.5

1049.5 1071.5

999.5

927.4

2000

783.4

711.5

855.4

977.5

905.5

3000

1400

1600

m /z

Tejsav kopolimérek • Dikarboxil savak – linkerek: Malon sav O

Fumár sav

O

O HO

HO

OH

O

Adipin sav

Malein sav O

HO

OH

OH O


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



Tejsav alapú polimérek

Recommend Documents