Курсовая работа: Биоразлагаемые полимерные материалы
Наиболее рациональным способом устранения отходов в виде изношенной и/или использованной упаковки представляется их утилизация.
Глава 2. ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА БИОРАЗЛАГАЕМОГО ПОЛИГИДРОКСИБУТИРАТА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Развитие современных методов реабилитации стоматологических пациентов с нарушением функции жевания при утрате зубов в значительной степени зависит от возможностей восстановления костной ткани. Применение прогрессивных технологий восстановления функций зубочелюстного аппарата при утрате естественных опор возможно только при выполнении высококачественных методик восполнения костной ткани. Одной из существенных проблем в дентальной имплантологии и в пародонтологии является уменьшение объема костной ткани, которое неминуемо сопровождает утрату естественных зубов в полости рта. Для полноценной стоматологической реабилитации с использованием зубных имплантатов многим пациентам необходимо восстанавливать утраченную кость. И, несмотря на то что в клинической практике применяется большое количество различных костно-пластических материалов, их несовершенство и недостатки ведут к постоянному поиску новых материалов и методик по их применению. Основными причинами, по которым имеются ограничения в использовании современных костно-пластических материалов, явились сложность их применения, низкий процент успеха и их высокая стоимость. "Золотой стандарт" при воссоздании требуемого объема кости — это применение аутотрансплантатов. Методики забора аутотрансплантата не всегда приемлемы при амбулаторном приеме, достаточно сложны и травматичны. Пациенты негативно относятся к данным методикам, что создает дополнительные сложности для проведения качественного лечения. По этим причинам в настоящее время разработка костно-пластических материалов идет в направлении получения искусственных материалов, а также улучшения их свойств и методик применения.
Основное сырье для производства большинства полимеров (ПМ) и материалов на их основе — нефтехимические продукты, получаемые из сырой нефти и природного газа. Производство полимеров из ископаемых горючих материалов растёт быстрее, чем производство других групп потребляемых материалов и в настоящее время достигло 230 млн.т. Через 10 лет их производство должно составить 250 млн т. В 2010 г. потребление ПМ на душу населения увеличится в мире с 28 до 44 кг.
Высокие темпы роста потребления при ограниченных мировых запасах ископаемого сырья определили в конце прошлого века актуальность исследований по использованию возобновляемого сырья для создания полимерных материалов, а именно, биоразлагаемых материалов (БРМ). Следует подчеркнуть, что термин биоразлагаемые материалы в данном случае определяет не столько способ их утилизации, сколько способ получения, а именно, получение из возобновляемого сырья в процессе органического или микробиологического синтеза.
Среди применяемых и активно разрабатываемых в настоящее время БРМ материалы на основе полисахаридов (крахмал и производные целлюлозы), полимеров молочной и гликолевой кислот (полилактиды и по-лигликолактиды), полиамидов, полиэфируретана, полиэтилентерефталата (ПЭТФ), полимеры оксипроизводных жирных кислот — полиэфиры природного происхождения, так называемые полигидроксиалканоаты (ПГА).
Бактериальные ПГА являются представителями нового класса полимеров. По своим основным показателям они близки к синтетическим термопластам (полипропилену, полиэтилену), но обладают уникальными свойствами: высокой биосовместимостью (терморезистентностью) с органами и тканями организма и способностью к биодеградации с образованием нетоксичных продуктов. ПГА, являясь термопластичными материалами, могут перерабатываться экструзионным способом и способом сухого и мокрого формования. ПГА термостабильны, устойчивы к воздействию кислот и ультрафиолетовых лучей. Важное преимущество применения ПГА — возможность стерилизации изделий из них с помощью гамма-излучения.
Благодаря высоким прочностным характеристикам этот термопласт может быть использован для изготовления рассасывающихся шовных нитей, хирургических пластин, остеопротезов и имплантантов с возможностью постепенного замещения соединительной тканью организма. Кроме того, его можно применять в качестве матрицы для получения лекарственных форм пролонгированного действия. По своим технологическим, механическим и физико-химическим характеристикам эти полимеры превосходят традиционные для инплантации полиэфиры (полигликолиды и полилактиды).
Широкое использование БРМ и в частности ПГА тормозится из-за их высокой стоимости по сравнению с традиционными нефтехимическими материалами. Стоимость БРМ составляет 4 — 15 $/кг при стоимости традиционных ПМ 1 — 1,5 $/кг, т.е. в 10 раз выше. Однако всего 5 лет назад стоимость БРМ была примерно в 10 раз выше, чем сейчас. Новые технологии выращивания и переработки сельскохозяйственных и технических культур способствуют нивелированию разницы стоимости биоразлагаемых и традиционных полимеров. К тому же положительное влияние оказывают различные законодательные акты, особенно в Евросоюзе. Примером могут служить европейские директивы 94/62/ЕС и 2000/53/ЕС, а также американский акт 2002 г., дающие преимущество товарам, изготовляемым с применением биоразлагаемых полимеров.
В Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН разработана схема биотехнологического производства одного из полигидроксиалканоатов — полигидроксибутирата (ПГБ) на основе штамма-продуцента Azotobacter chroococcum (Пат. 2194759 РФ, Пат. 2201453 РФ), способного синтезировать до 85 % полимера от сухого вещества клеток.
В качестве растворителей для экстракции воды из сырой биомассы по литературным и патентным данным предлагаются низкокипящие эфиры, кетоны, парафины, спирты алифатического или ароматического типов (Пат. 6043063 США). Обработку сырой биомассы, содержащей целевой продукт — ПГБ. проводят органическим растворителем, не растворяющим ПГБ. с целью его освобождения от воды, липидов (жирных кислот, стеринов), неорганических солей и других примесей. Отделение осадка — клеточной массы, содержащей ПГБ, проводится известными способами — фильтрацией или центрифугированием с последующим удалением растворителя сушкой.
С точки зрения экономической и технической доступности, незначительной летучести и достаточно низкой температуры очистки оборотного спирта на этой стадии очистки сырой биомассы был выбран изопропиловый спирт.
Очистку сухой биомассы, содержащей ПГА, проводили с использованием в качестве экстрагирующего растворителя галоидированных углеводородов: 1,2-дихлорэтан, хлороформ (ЕР 0015123); 1.1,2-трих-лорэтан; 1.1,2,2-терахлорэтан (ЕР 0015123, ЕР 0015669); метиленхлорид (Пат. 4310684 США). Применение метиленхлорида (температура кипения 40 — 41 °С) по сравнению с хлороформом (температура кипения 61 °С) вследствие его большей летучести приводит к увеличению потерь растворителя при перегонке или центрифугировании. Известно, что в качестве растворителей применяются метил- и этиллактаты (Заявка 4036067 ФРГ). Однако лактаты имеют температуру кипения 154 ºС, что требует применения высокой температуры для удаления растворителя. При этом возможен гидролиз ПГБ с уменьшением молекулярной массы, что нежелательно. Наибольший выход очищенного продукта получается при использовании хлороформа, поэтому при очистке сухой биомассы нами был выбран именно этот растворитель.
Сырая биомасса была изготовлена в Институте биохимии им. А.Н. Баха РАН на оборудовании ООО "Фирма "Макофарм" (г. Лотошино) и содержала 73 % полимера (в расчете на сухую биомассу), 0,52 % азота (1,73 % на сухой остаток). Очистку сырой биомассы, выделение и очистку ПГБ проводили в соответствии со схемой, представленной на рис. 1. С целью сокращения количества свободной воды, содержащейся в сырой биомассе, и уменьшения изопропилового спирта для ее экстракции опробованы предварительная сушка и вакуумная фильтрация биомассы. Сушку проводили при температуре 50 — 60 "С в течение 1 — 3 ч и остаточном давлении 1—2 мм рт. ст. Установлено, что величина вакуума в заданном интервале температур не влияет на количество удаляемой воды. Температура также не оказывает практически никакого влияния, главным является время сушки. Так, количество удаленной влаги за 2 ч составило 51,8 %, за 3 ч — 57,7 %.
Исследованы более мягкие условия удаления воды из сырой биомассы путем фильтрации при температуре окружающей среды 18 — 25 °С и остаточном давлении 10 — ПО мм рт. ст. на воронке Бюхнера через различные фильтровальные материалы (бязь, капрон). Через 2 ч фильтрации удалялось 43,9 % воды вместо 30 при повышенной температуре. Следовательно, значительное количество воды можно удалить при более низкой температуре. Для промывки высушенной биомассы использовали на 30 % меньше изопропилового спирта, чем для продукта с содержанием воды 75 %.
Содержание липидных соединений в использованном изопропиловом спирте от первой и второй промывок было одинаковым для исходной биомассы и биомассы после частичного удаления воды и составляло 0,3 и 0,25 %. Следовательно, несмотря на меньшее количество изопропилового спирта, взятого на промывку, экстракция липидных соединений происходила одинаково.
Данные, полученные на образце с молекулярной массой 500000, были проверены и подтверждены на образце с молекулярной массой 980000.
По результатам аналитического контроля содержания азота, золы и сухого остатка в сырой биомассе было установлено, что требуется не менее трех промывок изопропиловым спиртом. Оборотный изопропиловый спирт подвергался очистке перегонкой и по качеству соответствовал ГОСТ 9805-84 марки "технический" с содержанием 8,6 % воды при норме 13 %. Остальные стадии процесса очистки биомассы (сушка, дробление) проводились традиционным способом.
Далее исследовали выделение ПГБ и его очистку от клеточной массы при использовании хлороформа в качестве экстрагента (табл. 1).
Из данных табл. 1 следует, что концентрация ПГБ в растворе хлороформа составляла 0,5 — 0,25 %, что зависело от величины вакуума при фильтрации, а при глубоком вакууме и длительной фильтрации — от потерь растворителя. Увеличение количества клеточной массы на фильтре приводит к увеличению времени фильтрации, поэтому на данном фильтре можно проводить не более трех операций фильтрации. Эти результаты были учтены при создании опытной установки (рис. 2). Что касается концентрации ПГБ в клеточной массе, то судя по его содержанию при указанных параметрах, полимер оставался в клеточной массе. С целью выделения ПГБ и уменьшения его потерь была осуществлена четвертая дополнительная промывка клеточной массы хлороформом.
Количественное выделение ПГБ осуществляли путем дозирования раствора ПГБ в хлороформе в изопропиловый спирт (объемное соотношение 1:3) при постоянном перемешивании реакционной массы (табл. 2).
Как следует из табл. 2, технологический процесс высаждения полимера хлороформом из сухой биомассы и его промывки изопропиловым спиртом позволяют получить ПГБ высокой степени чистоты, требуемой для медицинской промышленности (Пат. 2333962 РФ).
Контроль исходных, промежуточных и конечных продуктов в процессе выделения и очистки ПГБ из сырой биомассы проводили в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.
Состав исходной сырой биомассы, а также продуктов, образующихся в процессе её очистки, исследовали методом ИК-спектроскопии. ИК-спектры снимали на Фурье-спектрофотометре фирмы Perkin Elmer (США) 1710 области 4000 -400 см-1 в виде таблеток, запрессованных с КВт для твердых образцов, и в виде пленок, нанесенных на окошки KRS-5 или КВт для жидких (рис. 4). Содержание азота определяли по методу Кьельдаля, температуру и теплоту плавления образцов ПГБ — методом дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе Perkin Elmer Diamond DSC . Зольность оценивалась по ГОСТ 15973-82. Сухой остаток определяли сушкой при температуре 105 °С до постоянной массы, содержание воды в растворителях — методом кулонометрического титрования с реактивом Фишера на влагомере мод. СА-02 фирмы Mitcubsi (Япония).
ИК-спектр сырой биомассы (рис.4, а) аналогичен спектру, приведенному в атласе Хюммеля. Отличие в спектре сырой биомассы наблюдается только в области поглощения гидрок-сильных групп воды, см': 3600 - 3400 (v ОН); 1640 (5 ОН); 700 - 600 (б ОН). После сушки образца интенсивность полос в области 3600 - 3400 и 1640 см-1 резко уменьшается, широкое поглощение в области 600 — 700 см1 исчезает. В ИК-спектре образца высушенной биомассы помимо основных полос, характерных для ПГБ, присутствуют дополнительные: 3300; 1650 и 1520 см1 ; изменяется соотношение полос 1229 и 1185 см1 . Можно предположить, что наличие данных полос в спектре связано с присутствием в исследуемом продукте веществ с амидными группами (3300, 1650, 1520 см') и органическими фосфатами (1180 см1 ).
Общий спектр конечного продукта снят в метиленхлориде (рис. 4, б) и полностью соответствует приведенному в атласе Хюммеля. Спектр же конечного продукта, полученного из расплава, отличается увеличением интенсивности полосы 1185 см1 (возможен С-О-С, Р-О-С), изменением соотношения СН2 -, СНз -групп в области валентных (2980 — 2850 см1 ), и 1385 см') колебаний. Можно предположить, что конечный продукт является не однородным или "подшитым", только растворимая в метиленхлориде фракция — "чистый"продукт.