RU2818688C2 - Biodegradable polymer composition and method for production thereof - Google Patents
Biodegradable polymer composition and method for production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818688C2 RU2818688C2 RU2021107500A RU2021107500A RU2818688C2 RU 2818688 C2 RU2818688 C2 RU 2818688C2 RU 2021107500 A RU2021107500 A RU 2021107500A RU 2021107500 A RU2021107500 A RU 2021107500A RU 2818688 C2 RU2818688 C2 RU 2818688C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biodegradable polymer
- cannabis
- bacillus
- polyhydroxybutyrate
- culture
- Prior art date
Links
- 229920002988 biodegradable polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 68
- 239000004621 biodegradable polymer Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title abstract description 35
- 241000218236 Cannabis Species 0.000 claims abstract description 62
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 48
- 244000005700 microbiome Species 0.000 claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 36
- 241001528539 Cupriavidus necator Species 0.000 claims abstract description 28
- 229920000331 Polyhydroxybutyrate Polymers 0.000 claims abstract description 27
- 239000005015 poly(hydroxybutyrate) Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 23
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims abstract description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 241000607516 Aeromonas caviae Species 0.000 claims abstract description 10
- 244000063299 Bacillus subtilis Species 0.000 claims abstract description 10
- 235000014469 Bacillus subtilis Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- 241000589776 Pseudomonas putida Species 0.000 claims abstract description 9
- 241000607528 Aeromonas hydrophila Species 0.000 claims abstract description 8
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims abstract description 8
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 claims abstract description 8
- 239000007858 starting material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 241000218588 Lactobacillus rhamnosus Species 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 241000193033 Azohydromonas lata Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000193755 Bacillus cereus Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000193749 Bacillus coagulans Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000194108 Bacillus licheniformis Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000194107 Bacillus megaterium Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000589174 Bradyrhizobium japonicum Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000193764 Brevibacillus brevis Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000589513 Burkholderia cepacia Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000863012 Caulobacter Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000260842 Halomonas boliviensis Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000193386 Lysinibacillus sphaericus Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000056981 Paraburkholderia sacchari Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000589517 Pseudomonas aeruginosa Species 0.000 claims abstract description 6
- 241000589196 Sinorhizobium meliloti Species 0.000 claims abstract description 6
- 229940054340 bacillus coagulans Drugs 0.000 claims abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 241000589191 Rhizobium leguminosarum bv. viciae Species 0.000 claims abstract description 5
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 66
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 claims description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 101100297400 Rhizobium meliloti (strain 1021) phaAB gene Proteins 0.000 claims description 10
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 101150046540 phaA gene Proteins 0.000 claims description 6
- 101150110984 phaB gene Proteins 0.000 claims description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 6
- 102000005345 Acetyl-CoA C-acetyltransferase Human genes 0.000 claims description 5
- 108010006229 Acetyl-CoA C-acetyltransferase Proteins 0.000 claims description 5
- 101100463818 Pseudomonas oleovorans phaC1 gene Proteins 0.000 claims description 5
- 101100280476 Streptococcus pneumoniae (strain ATCC BAA-255 / R6) fabM gene Proteins 0.000 claims description 5
- 108010065064 acetaldehyde dehydrogenase (acylating) Proteins 0.000 claims description 5
- 101150048611 phaC gene Proteins 0.000 claims description 5
- 101150097421 phaJ gene Proteins 0.000 claims description 5
- 101150028013 phaP gene Proteins 0.000 claims description 5
- 239000010908 plant waste Substances 0.000 claims description 5
- 241000193752 Bacillus circulans Species 0.000 claims description 3
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 238000009966 trimming Methods 0.000 claims description 2
- 239000005014 poly(hydroxyalkanoate) Substances 0.000 claims 2
- 229920000903 polyhydroxyalkanoate Polymers 0.000 claims 2
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 claims 1
- 238000009331 sowing Methods 0.000 claims 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000011534 incubation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000003701 mechanical milling Methods 0.000 abstract 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 41
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 22
- 229920008262 Thermoplastic starch Polymers 0.000 description 15
- 239000004628 starch-based polymer Substances 0.000 description 15
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 description 13
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 12
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 12
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 10
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 10
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 10
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 9
- 235000010980 cellulose Nutrition 0.000 description 9
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 9
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229920000704 biodegradable plastic Polymers 0.000 description 8
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 8
- HPMGFDVTYHWBAG-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxyhexanoic acid Chemical compound CCCC(O)CC(O)=O HPMGFDVTYHWBAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 7
- 239000010460 hemp oil Substances 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 239000010414 supernatant solution Substances 0.000 description 7
- WHBMMWSBFZVSSR-UHFFFAOYSA-M 3-hydroxybutyrate Chemical compound CC(O)CC([O-])=O WHBMMWSBFZVSSR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229920000168 Microcrystalline cellulose Polymers 0.000 description 6
- WHBMMWSBFZVSSR-UHFFFAOYSA-N R3HBA Natural products CC(O)CC(O)=O WHBMMWSBFZVSSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 6
- 235000019813 microcrystalline cellulose Nutrition 0.000 description 6
- 239000008108 microcrystalline cellulose Substances 0.000 description 6
- 229940016286 microcrystalline cellulose Drugs 0.000 description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 5
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 5
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007844 bleaching agent Substances 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 4
- JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L zinc dichloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Zn+2] JIAARYAFYJHUJI-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- 244000215068 Acacia senegal Species 0.000 description 3
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 3
- 229920000084 Gum arabic Polymers 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 3
- 235000010489 acacia gum Nutrition 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 3
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 3
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 3
- FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N maleic anhydride Chemical compound O=C1OC(=O)C=C1 FPYJFEHAWHCUMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 3
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 3
- 239000013502 plastic waste Substances 0.000 description 3
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 3
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 3
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 3
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 3
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 3
- 235000006491 Acacia senegal Nutrition 0.000 description 2
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 description 2
- 241000193830 Bacillus <bacterium> Species 0.000 description 2
- 244000025254 Cannabis sativa Species 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 description 2
- 235000009754 Vitis X bourquina Nutrition 0.000 description 2
- 235000012333 Vitis X labruscana Nutrition 0.000 description 2
- 240000006365 Vitis vinifera Species 0.000 description 2
- 235000014787 Vitis vinifera Nutrition 0.000 description 2
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 235000014113 dietary fatty acids Nutrition 0.000 description 2
- XEYHWMQDXTVNJW-UHFFFAOYSA-N dihexyl butanedioate Chemical compound CCCCCCOC(=O)CCC(=O)OCCCCCC XEYHWMQDXTVNJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RZMWTGFSAMRLQH-UHFFFAOYSA-L disodium;2,2-dihexyl-3-sulfobutanedioate Chemical compound [Na+].[Na+].CCCCCCC(C([O-])=O)(C(C([O-])=O)S(O)(=O)=O)CCCCCC RZMWTGFSAMRLQH-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 2
- 230000035622 drinking Effects 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000000194 fatty acid Substances 0.000 description 2
- 229930195729 fatty acid Natural products 0.000 description 2
- 150000004665 fatty acids Chemical class 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 description 2
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229930027917 kanamycin Natural products 0.000 description 2
- 229960000318 kanamycin Drugs 0.000 description 2
- SBUJHOSQTJFQJX-NOAMYHISSA-N kanamycin Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CN)O[C@@H]1O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O[C@@H]2[C@@H]([C@@H](N)[C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)[C@H](N)C[C@@H]1N SBUJHOSQTJFQJX-NOAMYHISSA-N 0.000 description 2
- 229930182823 kanamycin A Natural products 0.000 description 2
- GZQKNULLWNGMCW-PWQABINMSA-N lipid A (E. coli) Chemical compound O1[C@H](CO)[C@@H](OP(O)(O)=O)[C@H](OC(=O)C[C@@H](CCCCCCCCCCC)OC(=O)CCCCCCCCCCCCC)[C@@H](NC(=O)C[C@@H](CCCCCCCCCCC)OC(=O)CCCCCCCCCCC)[C@@H]1OC[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](OC(=O)C[C@H](O)CCCCCCCCCCC)[C@@H](NC(=O)C[C@H](O)CCCCCCCCCCC)[C@@H](OP(O)(O)=O)O1 GZQKNULLWNGMCW-PWQABINMSA-N 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 2
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 210000002966 serum Anatomy 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 2
- 239000011592 zinc chloride Substances 0.000 description 2
- 235000005074 zinc chloride Nutrition 0.000 description 2
- UPMLOUAZCHDJJD-UHFFFAOYSA-N 4,4'-Diphenylmethane Diisocyanate Chemical compound C1=CC(N=C=O)=CC=C1CC1=CC=C(N=C=O)C=C1 UPMLOUAZCHDJJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000208140 Acer Species 0.000 description 1
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- 235000008697 Cannabis sativa Nutrition 0.000 description 1
- 235000012766 Cannabis sativa ssp. sativa var. sativa Nutrition 0.000 description 1
- 235000012765 Cannabis sativa ssp. sativa var. spontanea Nutrition 0.000 description 1
- 101100243766 Dictyostelium discoideum phbA gene Proteins 0.000 description 1
- 101100243777 Dictyostelium discoideum phbB gene Proteins 0.000 description 1
- 241000192125 Firmicutes Species 0.000 description 1
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 1
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 1
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 1
- 229930182566 Gentamicin Natural products 0.000 description 1
- CEAZRRDELHUEMR-URQXQFDESA-N Gentamicin Chemical compound O1[C@H](C(C)NC)CC[C@@H](N)[C@H]1O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O[C@@H]2[C@@H]([C@@H](NC)[C@@](C)(O)CO2)O)[C@H](N)C[C@@H]1N CEAZRRDELHUEMR-URQXQFDESA-N 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- 241000408747 Lepomis gibbosus Species 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000589194 Rhizobium leguminosarum Species 0.000 description 1
- 108700019146 Transgenes Proteins 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 239000000205 acacia gum Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011668 ascorbic acid Substances 0.000 description 1
- 235000010323 ascorbic acid Nutrition 0.000 description 1
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 235000009120 camo Nutrition 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 description 1
- 230000006037 cell lysis Effects 0.000 description 1
- 235000005607 chanvre indien Nutrition 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000012136 culture method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- TVWTZAGVNBPXHU-FOCLMDBBSA-N dioctyl (e)-but-2-enedioate Chemical compound CCCCCCCCOC(=O)\C=C\C(=O)OCCCCCCCC TVWTZAGVNBPXHU-FOCLMDBBSA-N 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 229960002518 gentamicin Drugs 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 239000011487 hemp Substances 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000028744 lysogeny Effects 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000005022 packaging material Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000013612 plasmid Substances 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000013587 production medium Substances 0.000 description 1
- 235000020236 pumpkin seed Nutrition 0.000 description 1
- 229920005604 random copolymer Polymers 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000001226 reprecipitation Methods 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000001488 sodium phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910000162 sodium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 235000015096 spirit Nutrition 0.000 description 1
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 1
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 1
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K trisodium phosphate Chemical compound [Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])([O-])=O RYFMWSXOAZQYPI-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 230000017260 vegetative to reproductive phase transition of meristem Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники настоящего изобретенияField of the present invention
[0001] Настоящее изобретение относится к биоразлагаемым полимерам, в частности, к биоразлагаемым полимерным композициям и к способам их изготовления с использованием отходов каннабиса в качестве источника углерода.[0001] The present invention relates to biodegradable polymers, in particular, to biodegradable polymer compositions and methods for making them using cannabis waste as a carbon source.
Уровень техники настоящего изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
[0002] Пластмасса представляет собой долговечный и универсальный материал низкой плотности, который является неотъемлемым компонентом, применяемым во многих отраслях промышленности от строительства до здравоохранения для производства от потребительских изделий до упаковочных материалов. Изготовление многих пластических материалов зависит от невозобновляемых ресурсов, что в долгосрочной перспективе делает востребованность этих материалов неустойчивой с экономической и экологической точек зрения. Эти проблемы также обостряет время, требуемое для разложения в окружающей среде пластмасс многих типов. Как правило, время разложения в окружающей среде пластмасс, используемых в потребительских изделиях, таких как пластмассовые соломинки для напитков, составляет приблизительно 200 лет. Для разложения более устойчивых пластмасс, таких как пластмасса, используемая в рыболовной леске, может потребоваться более продолжительное время, составляющее вплоть до 600 лет.[0002] Plastic is a durable and versatile low-density material that is an integral component used in many industries from construction to healthcare to consumer products to packaging materials. The manufacture of many plastic materials depends on non-renewable resources, which makes the demand for these materials unsustainable from an economic and environmental point of view in the long term. These problems are also exacerbated by the time it takes many types of plastics to degrade in the environment. Typically, the environmental degradation time for plastics used in consumer products such as plastic drinking straws is approximately 200 years. More resistant plastics, such as those used in fishing line, can take longer to degrade, up to 600 years.
[0003] В результате этого в окружающей среде накапливаются пластмассовые отходы, которые вызывают общественное беспокойство, увеличивающееся в возрастающей степени, что приводит к попыткам сокращения пластмассовых отходов, таким как запрещение пластмассовых изделий одноразового применения, включая соломинки для напитков. Другие меры, такие как развитие программ переработки пластмассы, оказываются ограниченными по экономическим соображениям, а также поскольку большинство пластмасс можно перерабатывать лишь ограниченное число раз, прежде чем их физические свойства становятся непригодными для последующего использования. Еще одна возможность решения проблемы накопления пластмассовых отходов в окружающей среде заключается в том, чтобы производить пластмассы, которые быстрее разлагаются в окружающей среде.[0003] As a result, plastic waste accumulates in the environment, causing increasing public concern, leading to attempts to reduce plastic waste, such as banning single-use plastic products, including drinking straws. Other measures, such as developing plastic recycling programs, are limited by economic considerations and because most plastics can only be recycled a limited number of times before their physical properties become unsuitable for subsequent use. Another possibility to address the accumulation of plastic waste in the environment is to produce plastics that degrade faster in the environment.
[0004] Биоразлагаемые пластмассы представляют собой пластмассы, которые могут разлагаться под действием микроорганизмов, образуя низкомолекулярные вещества, такие как вода, диоксид углерода или метан, и биомассу в течение значительно меньшего времени, чем время, которое требуется для разложения типичных пластмасс. Многие биоразлагаемые пластмассы также могут быть изготовлены из возобновляемых источников, а не из невозобновляемых нефтехимических источников. Однако, как известно, биоразлагаемые пластмассы страдают от ряда нежелательных характеристик, таких как хрупкость или низкая термическая устойчивость. Другие известные биоразлагаемые пластмассы имеют запретительно высокую стоимость изготовления, которая препятствует их широкому применению.[0004] Biodegradable plastics are plastics that can be broken down by microorganisms to form low molecular weight substances such as water, carbon dioxide or methane, and biomass in significantly less time than the time it takes typical plastics to decompose. Many biodegradable plastics can also be made from renewable sources rather than non-renewable petrochemical sources. However, biodegradable plastics are known to suffer from a number of undesirable characteristics, such as brittleness or low thermal stability. Other known biodegradable plastics have prohibitively high manufacturing costs, which prevent their widespread use.
[0005] Соответственно, существует потребность в новых биоразлагаемых пластмассах, имеющих улучшенные механические характеристики. Кроме того, существует потребность в новых способах изготовления биоразлагаемых пластмасс из возобновляемых исходных материалов для снижения стоимости изготовления.[0005] Accordingly, there is a need for new biodegradable plastics having improved mechanical properties. In addition, there is a need for new ways to make biodegradable plastics from renewable starting materials to reduce manufacturing costs.
[0006] Согласно прогнозам отходы каннабиса и способы их утилизации превращаются в значительную проблему для промышленности, поскольку в различных юрисдикциях начинается легализация использования каннабиса. В результате изготовления одного килограмма каннабиса для потребителей образуется восемь килограммов отходов. Существующие в настоящее время способы утилизации отходов каннабиса представляют собой строго регулируемые практические процедуры, включающие смешивание отходов каннабиса с химическими реагентами и другими материалами, предназначенными для утилизации.[0006] Cannabis waste and its disposal are projected to become a significant issue for the industry as legalization of cannabis use begins in various jurisdictions. Producing one kilogram of cannabis for consumers generates eight kilograms of waste. Current cannabis waste disposal methods are highly regulated practices that involve mixing cannabis waste with chemicals and other materials intended for disposal.
[0007] Соответственно, существует потребность в разработке полезных приложений для растущих объемов отходов каннабиса, производимых в этой новой отрасли промышленности.[0007] Accordingly, there is a need to develop useful applications for the growing volumes of cannabis waste produced by this new industry.
Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief Disclosure of the Present Invention
[0008] Биоразлагаемая полимерная композиция согласно настоящему изобретению содержит полигидроксибутират и сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, с которыми смешаны термопластический крахмал, один или несколько компатибилизаторов, выбранных из группы, которую составляют дигексилсульфосукцинат натрия и малеиновый ангидрид, а также одна или несколько добавок, выбранных из группы, которую составляют целлюлоза и микрокристаллическая целлюлоза.[0008] The biodegradable polymer composition of the present invention contains polyhydroxybutyrate and a copolymer of 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate, with which are mixed thermoplastic starch, one or more compatibilizers selected from the group consisting of sodium dihexylsulfosuccinate and maleic anhydride, and one or more additives , selected from the group consisting of cellulose and microcrystalline cellulose.
[0009] Согласно другому варианту осуществления биоразлагаемая полимерная композиция содержит от 5 мас. % до 70 мас. % полигидроксибутирата, от 5 мас. % до 70 мас. % сополимера 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, от 5 мас. % до 45 мас. % термопластического крахмала, от 0,5 мас. % до 35 мас. % одного или нескольких компатибилизаторов и от 0,5 мас. % до 15 мас. % одной или нескольких добавок.[0009] According to another embodiment, the biodegradable polymer composition contains from 5 wt. % up to 70 wt. % polyhydroxybutyrate, from 5 wt. % up to 70 wt. % copolymer of 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate, from 5 wt. % up to 45 wt. % thermoplastic starch, from 0.5 wt. % up to 35 wt. % of one or more compatibilizers and from 0.5 wt. % up to 15 wt. % of one or more additives.
[0010] Согласно другому варианту осуществления биоразлагаемая полимерная композиция содержит от 10 мас. % до 30 мас. % полигидроксибутирата, от 20 мас. % до 60 мас. % сополимера 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, от 10 мас. % до 30 мас. % термопластического крахмала, от 10 мас. % до 20 мас. % одного или нескольких компатибилизаторов и от 1 мас. % до 10 мас. % одной или нескольких добавок.[0010] According to another embodiment, the biodegradable polymer composition contains from 10 wt. % up to 30 wt. % polyhydroxybutyrate, from 20 wt. % up to 60 wt. % copolymer of 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate, from 10 wt. % up to 30 wt. % thermoplastic starch, from 10 wt. % up to 20 wt. % of one or more compatibilizers and from 1 wt. % up to 10 wt. % of one or more additives.
[0011] Согласно другому варианту осуществления биоразлагаемая полимерная композиция содержит 20 мас. % полигидроксибутирата, 40 мас. % сополимера 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата, 20 мас. % термопластического крахмала, 15 мас. % одного или нескольких компатибилизаторов и 5 мас. % одной или нескольких добавок.[0011] According to another embodiment, the biodegradable polymer composition contains 20 wt. % polyhydroxybutyrate, 40 wt. % copolymer of 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate, 20 wt. % thermoplastic starch, 15 wt. % of one or more compatibilizers and 5 wt. % of one or more additives.
[0012] Согласно другому аспекту настоящего изобретения способ изготовления биоразлагаемого полимера с использованием отходов каннабиса в качестве источника углерода включает следующие стадии: а) переработка отходов каннабиса посредством механического измельчения; b) нагревание отходов каннабиса в растворе минеральной кислоты в течение по меньшей мере 25 минут при температуре, составляющей по меньшей мере 121°С, с получением раствора каннабиса в кислоте; с) охлаждение, нейтрализация и фильтрование раствора каннабиса в кислоте с получением фильтрата; d) смешивание фильтрата с минеральной солевой средой в соотношении, составляющем от 1:1 до 1:2, с получением производственной питательной среды; е) засевание производственной питательной среды заквасочной культурой микроорганизмов, выбранных из группы, которую составляют встречающиеся в природе и модифицированные штаммы Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Bacillus cereus, Bacillus brevis, Caulobacter cresentus, Bacillus sphaericus, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacilllus circulans, Bacillus licheniformis, Escherichia coli, Microlanatus phosphovorous, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum viciae, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia cepacia, Burkholderia sacchari, Cupriavidus necator, Neptunamonas Antarctica, Azobacter vinelandii, Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas caviae, Aeromonas hydrophila, Aeromonas punctata, Alcaligenes latus, Halomonas boliviensis, Lactobacillus rhamnosus и Fermicutes bacterium, и инкубация при температуре, составляющей по меньшей мере 30°С, в течение от 48 до 72 часов с получением культуры; и f) экстракция биоразлагаемого полимера из культуры.[0012] According to another aspect of the present invention, a method for producing a biodegradable polymer using cannabis waste as a carbon source includes the following steps: a) processing the cannabis waste through mechanical grinding; b) heating the cannabis waste in a mineral acid solution for at least 25 minutes at a temperature of at least 121°C to obtain a cannabis acid solution; c) cooling, neutralizing and filtering the solution of cannabis in acid to obtain a filtrate; d) mixing the filtrate with a mineral salt medium in a ratio of 1:1 to 1:2 to obtain a production nutrient medium; f) inoculating the production nutrient medium with a starter culture of microorganisms selected from the group consisting of naturally occurring and modified strains of Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Bacillus cereus, Bacillus brevis, Caulobacter cresentus, Bacillus sphaericus, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacillus circulans, Bacillus licheniformis, Escherichia coli, Microlanatus phosphovorous, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum viciae, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia cepacia, Burkholderia sacchari, Cupriavidus necator, Neptunamonas Antarctica, Azobacter vinelandii, Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa, as caviae, Aeromonas hydrophila, Aeromonas punctata, Alcaligenes latus , Halomonas boliviensis, Lactobacillus rhamnosus and Fermicutes bacterium, and incubating at a temperature of at least 30°C for 48 to 72 hours to obtain a culture; and f) extracting the biodegradable polymer from the crop.
[0013] Согласно другому варианту осуществления стадия экстракции биоразлагаемого полимера из культуры включает следующие стадии: а) фильтрование культуры через мембрану с размером пор, составляющим приблизительно 1 мм; b) отделение клеток микроорганизма от подвергнутой фильтрованию культуры; с) суспендирование клеток в растворе NaOH и инкубация при температуре, составляющей по меньшей мере 30°С, в течение по меньшей мере 1,5 часов с высвобождением биоразлагаемого полимера из клеток; d) отделение биоразлагаемого полимера от раствора NaOH и повторное суспендирование биоразлагаемого полимера в воде; е) отделение биоразлагаемого полимера от воды и повторное суспендирование биоразлагаемого полимера в этанольном растворе; и f) отделение биоразлагаемого полимера от этанольного раствора.[0013] In another embodiment, the step of extracting the biodegradable polymer from the culture includes the following steps: a) filtering the culture through a membrane having a pore size of approximately 1 mm; b) separating microorganism cells from the filtered culture; c) suspending the cells in a NaOH solution and incubating at a temperature of at least 30°C for at least 1.5 hours to release the biodegradable polymer from the cells; d) separating the biodegradable polymer from the NaOH solution and resuspending the biodegradable polymer in water; f) separating the biodegradable polymer from the water and resuspending the biodegradable polymer in the ethanol solution; and f) separating the biodegradable polymer from the ethanol solution.
[0014] Согласно другому аспекту настоящего изобретения способ изготовления производственной питательной среды из отходов каннабиса для использования в изготовлении биоразлагаемого полимера, включает следующие стадии: а) переработка отходов каннабиса посредством механического измельчения с увеличением доступной площади поверхности отходов каннабиса; b) нагревание отходов каннабиса в растворе минеральной кислоты в течение по меньшей мере 25 минут при температуре, составляющей по меньшей мере 121°С, с получением раствора каннабиса в кислоте; с) охлаждение, нейтрализация и фильтрование раствора каннабиса в кислоте с получением фильтрата; и d) смешивание фильтрата с минеральной солевой средой в соотношении, составляющем от 1:1 до 1:2.[0014] According to another aspect of the present invention, a method of making a production culture medium from cannabis waste for use in the manufacture of a biodegradable polymer includes the following steps: a) processing the cannabis waste by mechanical grinding to increase the available surface area of the cannabis waste; b) heating the cannabis waste in a mineral acid solution for at least 25 minutes at a temperature of at least 121°C to obtain a cannabis acid solution; c) cooling, neutralizing and filtering the solution of cannabis in acid to obtain a filtrate; and d) mixing the filtrate with a mineral salt medium in a ratio of 1:1 to 1:2.
[0015] Согласно другому варианту осуществления способ дополнительно включает следующие стадии: перемешивание переработанных отходов каннабиса в воде с разложением отходов каннабиса; фильтрование получаемой в результате смесь, а затем нагревание и перемешивание фильтрата с гидроксидом натрия и пероксидом водорода; фильтрование получаемой в результате суспензии, доведение до нейтрального значения рН и высушивание с получением высушенной биомассы перед стадией нагревания отходов каннабиса в растворе минеральной кислоты.[0015] According to another embodiment, the method further includes the following steps: mixing the processed cannabis waste in water to decompose the cannabis waste; filtering the resulting mixture and then heating and stirring the filtrate with sodium hydroxide and hydrogen peroxide; filtering the resulting suspension, adjusting to a neutral pH and drying to obtain dried biomass before the step of heating the cannabis waste in a mineral acid solution.
[0016] Согласно другому варианту осуществления стадия охлаждения, нейтрализации и фильтрования раствора каннабиса в кислоте включает прекращение реакции посредством добавления холодной деионизированной воды; центрифугирование получаемой в результате смеси и промывание осадка деионизированной водой до достижения нейтрального значения рН; гидролиз целлюлозы, представляющий собой кислотный гидролиз при 0,5 М и 70°С в 67% растворе хлорида цинка, и разбавление конечного продукта стерильный фосфатно-солевым буферным раствором.[0016] According to another embodiment, the step of cooling, neutralizing and filtering the cannabis acid solution includes stopping the reaction by adding cold deionized water; centrifuging the resulting mixture and washing the precipitate with deionized water until a neutral pH value is achieved; hydrolysis of cellulose, which is acid hydrolysis at 0.5 M and 70 ° C in a 67% zinc chloride solution, and dilution of the final product with sterile phosphate-buffered saline.
[0017] Согласно другому аспекту настоящего изобретения способ изготовления биоразлагаемого полимера включает следующие стадии: а) засевание производственной питательной среды, имеющей ограниченное содержание азота и содержащей переработанные растительные отходы в качестве источника углерода и заквасочную культуру микроорганизма, выбранного из группы, которую составляют встречающиеся в природе и модифицированные штаммы Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Bacillus cereus, Bacillus brevis, Caulobacter cresentus, Bacillus sphaericus, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacilllus circulans, Bacillus licheniformis, Escherichia coli, Microlanatus phosphovorous, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum viciae, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia cepacia, Burkholderia sacchari, Cupriavidus necator, Neptunamonas Antarctica, Azobacter vinelandii, Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas caviae, Aeromonas hydrophila, Aeromonas punctata, Alcaligenes latus, Halomonas boliviensis, Lactobacillus rhamnosus и Fermicutes bacterium, и инкубация при температуре, составляющей по меньшей мере 30°С, в течение от 48 до 72 часов с получением культуры; b) фильтрование культуры через мембрану с размером пор, составляющим приблизительно 1 мм; с) отделение клеток микроорганизма от подвергнутой фильтрованию культуры; d) суспендирование клеток в растворе NaOH и инкубация при температуре, составляющей по меньшей мере 30°С, в течение по меньшей мере 1,5 часов с высвобождением биоразлагаемого полимера из клеток; е) отделение биоразлагаемого полимера от раствора NaOH и повторное суспендирование биоразлагаемого полимера в воде; f) отделение биоразлагаемого полимера от воды и повторное суспендирование биоразлагаемого полимера в этанольном растворе; и g) отделение биоразлагаемого полимера от этанольного раствора.[0017] According to another aspect of the present invention, a method for producing a biodegradable polymer includes the following steps: a) inoculating a production nutrient medium having a limited nitrogen content and containing processed plant waste as a carbon source and a starter culture of a microorganism selected from the group consisting of naturally occurring and modified strains of Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Bacillus cereus, Bacillus brevis, Caulobacter cresentus, Bacillus sphaericus, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacillus circulans, Bacillus licheniformis, Escherichia coli, Microlanatus phosphovorous, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia cepacia, Burkholderia sacchari, Cupriavidus necator, Neptunamonas Antarctica, Azobacter vinelandii, Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas caviae, Aeromonas hydrophila, Aeromonas punctata, Alcaligenes latus, Halomonas boliviensis, Lactobacillus rhamnosus and Fermicutes bacterium, and incubation at a temperature of at least 30°C, for 48 to 72 hours to obtain a culture; b) filtering the culture through a membrane having a pore size of approximately 1 mm; c) separating microorganism cells from the filtered culture; d) suspending the cells in a NaOH solution and incubating at a temperature of at least 30°C for at least 1.5 hours to release the biodegradable polymer from the cells; f) separating the biodegradable polymer from the NaOH solution and resuspending the biodegradable polymer in water; f) separating the biodegradable polymer from the water and resuspending the biodegradable polymer in the ethanol solution; and g) separating the biodegradable polymer from the ethanol solution.
[0018] Способом согласно другому варианту осуществления получают полигидроксибутират (РНВ) с использованием производственной питательной среды, полученной из отходов каннабиса, и при этом способ включает следующие стадии: культивирование одного или нескольких микроорганизмов, способных производить РНВ в питательном бульоне из концентрата; засевание производственной питательной среды одним или несколькими микроорганизмами; дополнение производственной питательной среды ограниченным источником азота и обеспечение культивации одного или нескольких микроорганизмов в производственной питательной среде; центрифугирование производственной питательной среды для отделения клеток одного или нескольких микроорганизмов от производственной питательной среды и высушивание клеток; повторное суспендирование высушенных клеток в дистиллированной воде и добавление гидроксида натрия для экстракции РНВ из клеток; прекращение реакции посредством установления рН на уровне 7,0 и центрифугирование получаемой в результате смеси с выделением гранул РНВ из суспензии; промывание гранул дистиллированной водой и повторное центрифугирование получаемой в результате смеси в случае необходимости; отделение гранул посредством добавления минеральной кислоты и центрифугирования смеси; отбрасывание жидкой фазы и промывание продукта в щелочной ванне для очистки РНВ; промывание РНВ водой и центрифугирование в случае необходимости.[0018] A method according to another embodiment produces polyhydroxybutyrate (PHB) using a production nutrient medium derived from cannabis waste, the method comprising the following steps: cultivating one or more microorganisms capable of producing PHB in a nutrient broth from the concentrate; inoculating a production nutrient medium with one or more microorganisms; supplementing the production nutrient medium with a limited source of nitrogen and ensuring the cultivation of one or more microorganisms in the production nutrient medium; centrifuging the production nutrient medium to separate the cells of one or more microorganisms from the production nutrient medium and drying the cells; resuspending the dried cells in distilled water and adding sodium hydroxide to extract RNV from the cells; stopping the reaction by adjusting the pH to 7.0 and centrifuging the resulting mixture to separate the RNV granules from the suspension; washing the granules with distilled water and re-centrifuging the resulting mixture if necessary; separating the granules by adding mineral acid and centrifuging the mixture; discarding the liquid phase and washing the product in an alkaline bath to clean the RNV; washing the RNV with water and centrifuging if necessary.
Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed Disclosure of the Present Invention
[0019] Настоящее изобретение относится к биоразлагаемым полимерным композициям и к способам их изготовления. Биоразлагаемые полимерные композиции содержат полигидроксибутират (РНВ) и сополимер 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата (РНВННх), с которыми смешаны термопластический крахмал (TPS), один или несколько компатибилизаторов и одна или несколько добавок.[0019] The present invention relates to biodegradable polymer compositions and methods for their manufacture. Biodegradable polymer compositions contain polyhydroxybutyrate (PHB) and a copolymer of 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate (PHBHHx), with which thermoplastic starch (TPS), one or more compatibilizers and one or more additives are mixed.
[0020] Один или оба полимера из РНВ и РНВННх, которые используются в биоразлагаемых полимерных композициях, описанных в настоящем документе, предпочтительно производят, используя микроорганизмы, которые представляют собой встречающиеся в природе или модифицированные микроорганизмы, производящие РНВ и/или РНВННх. РНВННх может представлять собой статистический или нестатистический сополимер мономеров 3-гидроксибутирата и 3-гидроксигексаноата. Предпочтительно 3-гидроксигексаноатные звенья биологически синтезированного сополимера РНВННх остаются в аморфной фазе полукристаллического РНВННх.[0020] One or both of the polymers of RHB and RHBHHx that are used in the biodegradable polymer compositions described herein are preferably produced using microorganisms that are naturally occurring or engineered microorganisms that produce RHB and/or RHBHHx. PHBHHx may be a random or non-random copolymer of the monomers 3-hydroxybutyrate and 3-hydroxyhexanoate. Preferably, the 3-hydroxyhexanoate units of the biologically synthesized RHBHHx copolymer remain in the amorphous phase of the semicrystalline RHBHHx.
[0021] Подходящие микроорганизмы для изготовления биоразлагаемых полимеров, включая РНВ и/или РНВННх, представляют собой встречающиеся в природе или модифицированные штаммы следующих микроорганизмов: Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Bacillus cereus, Bacillus brevis, Caulobacter cresentus, Bacillus sphaericus, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacilllus circulans, Bacillus licheniformis, Escherichia coli, Microlanatus phosphovorous, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum viciae, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia cepacia, Burkholderia sacchari, Cupriavidus necator, Neptunamonas Antarctica, Azobacter vinelandii, Pseudomonas putida, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas caviae, Aeromonas hydrophila, Aeromonas punctata, Alcaligenes latus, Halomonas boliviensis, Lactobacillus rhamnosus и Fermicutes bacterium. Предпочтительно используется модифицированный штамм Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Lactobacillus rhamnosus или Fermicutes bacterium, чтобы производить РНВ и РНВННх для биоразлагаемых полимерных композиций, которые описаны в настоящем документе. Предпочтительные микроорганизмы представляют собой Bacillus subtilis, потому что они являются грамположительными бактериями, и, таким образом, в них отсутствует токсичный липид А, который присутствует в грамотрицательных бактериях. Загрязнение биоразлагаемого полимера липидом А является нежелательным в определенных приложениях, таких как упаковки для пищевых продуктов, медицинские устройства или упаковки, гигиенические упаковки и продукты для маленьких детей.[0021] Suitable microorganisms for making biodegradable polymers, including PHB and/or PHBHx, are naturally occurring or modified strains of the following microorganisms: Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Bacillus cereus, Bacillus brevis, Caulobacter cresentus, Bacillus sphaericus, Bacillus coagulans, Bacillus megaterium, Bacilllus circulans, Bacillus licheniformis, Escherichia coli, Microlanatus phosphovorous, Rhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum viciae, Bradyrhizobium japonicum, Burkholderia cepacia, Burkholderia sacchari, Cupriavidus necator, Neptunamonas Antarctica, Azobacter vinelandii, Pseudomonas put ida, Pseudomonas aeruginosa, Aeromonas caviae, Aeromonas hydrophila , Aeromonas punctata, Alcaligenes latus, Halomonas boliviensis, Lactobacillus rhamnosus and Fermicutes bacterium. Preferably, a modified strain of Bacillus subtilis, Cupriavidus necator, Lactobacillus rhamnosus or Fermicutes bacterium is used to produce RHB and RHHHx for the biodegradable polymer compositions that are described herein. The preferred microorganism is Bacillus subtilis because it is a gram-positive bacteria and thus lacks the toxic lipid A that is present in gram-negative bacteria. Lipid A contamination of a biodegradable polymer is undesirable in certain applications such as food packaging, medical devices or packaging, hygiene packaging, and small children's products.
[0022] Модифицированные микроорганизмы, используемые в способах, которые описаны в настоящем документе, представляют собой микроорганизмы, генетически модифицированные, чтобы экспрессировать гены, включая трансгены, необходимые для изготовления одного или нескольких биоразлагаемых полимеров. Получаемый биоразлагаемый полимер предпочтительно представляет собой РНВ. Подходящие гены представляют собой один или несколько генов из phaA, phaB, phaC, phaJ и phaP, которыми кодируются ацетил-СоА-ацетилтрансфераза, ацетил-СоА-редуктаза и РНВ-полимераза. Многие микроорганизмы в естественных условиях экспрессируют один или несколько из указанных генов. Некоторые микроорганизмы также могут экспрессировать гены, кодирующие одну или несколько деполимераз, которые разлагают один или несколько биоразлагаемых полимеров, в том числе РНВ. Предпочтительно модифицированные микроорганизмы, используемые в способах, которые описаны в настоящем документе, будут экспрессировать гены, необходимые для изготовления РНВ, и не будут экспрессировать какие-либо гены, которые кодируют деполимеразу, способную разлагать РНВ или какие-либо другие желательные биоразлагаемые полимеры, производимые выбранным микроорганизмом.[0022] Modified microorganisms used in the methods that are described herein are microorganisms that are genetically modified to express genes, including transgenes, necessary for the manufacture of one or more biodegradable polymers. The resulting biodegradable polymer is preferably RHB. Suitable genes are one or more of phaA, phaB, phaC, phaJ and phaP, which encode acetyl-CoA acetyltransferase, acetyl-CoA reductase and RHB polymerase. Many microorganisms naturally express one or more of these genes. Some microorganisms may also express genes encoding one or more depolymerases that degrade one or more biodegradable polymers, including RNV. Preferably, the modified microorganisms used in the methods that are described herein will express genes necessary for the manufacture of RNV, and will not express any genes that encode a depolymerase capable of degrading RNV or any other desired biodegradable polymers produced by the selected microorganism.
[0023] Когда синтезируют и экстрагируют РНВ, например, согласно одному из способов, описанных в настоящем документе, с ним смешаны РНВННх, термопластический крахмал, один или несколько компатибилизаторов и одна или несколько добавок. Термопластический крахмал, используемый в биоразлагаемых пластических композициях согласно настоящему изобретению, представляет собой пластифицированный природный полимер, предпочтительно содержащий аскорбиновую кислоту и лимонную кислоту в низких концентрациях, 30% глицерина в качестве пластификатора и воду, составляющую приблизительно 20 мас. % по отношению к крахмалу. Термопластический крахмал может присутствовать в количествах, составляющих вплоть до 45 мас. % биоразлагаемой полимерной композиции.[0023] When PHB is synthesized and extracted, for example, according to one of the methods described herein, PHBHx, thermoplastic starch, one or more compatibilizers, and one or more additives are mixed therewith. The thermoplastic starch used in the biodegradable plastic compositions of the present invention is a plasticized natural polymer, preferably containing low concentrations of ascorbic acid and citric acid, 30% glycerol as a plasticizer and water at approximately 20% by weight. % relative to starch. Thermoplastic starch may be present in amounts up to 45 wt. % biodegradable polymer composition.
[0024] Термопластический крахмал может быть получен любым подходящим способом получения пластифицированных природных полимеров, например, посредством смешивания природного крахмала с пластификатором в двухшнековом экструдере при повышенных температурах, составляющих от приблизительно 30°С до приблизительно 200°С. В качестве пластификатора предпочтительно используется смесь воды и глицерина. Пластификация термопластического крахмала может быть осуществлена перед смешиванием термопластического крахмала с биоразлагаемой полимерной композицией или посредством одновременного добавления всех компонентов, представляющих собой крахмал, глицерин, воду, с другими компонентами биоразлагаемой полимерной композиции для получения конечной смеси.[0024] Thermoplastic starch can be produced by any suitable method for producing plasticized natural polymers, for example, by mixing natural starch with a plasticizer in a twin-screw extruder at elevated temperatures ranging from about 30°C to about 200°C. A mixture of water and glycerin is preferably used as a plasticizer. Plasticization of thermoplastic starch can be carried out before mixing the thermoplastic starch with the biodegradable polymer composition or by simultaneously adding all the components of starch, glycerin, water with other components of the biodegradable polymer composition to obtain the final mixture.
[0025] Компатибилизаторы могут представлять собой одно или несколько из следующих соединений: дигексилсукцинат, дигексилсульфосукцинат натрия, малеиновый ангидрид, метилендифенилдиизоцианат, диоктилфумарат или другие полиолефины, привитые полярными мономерами. Предпочтительно каждое соединение из дигексилсукцината и малеинового ангидрида присутствует в количестве, составляющем от 0,5 до 35 мас. %.[0025] Compatibilizers may be one or more of the following compounds: dihexyl succinate, sodium dihexyl sulfosuccinate, maleic anhydride, methylene diphenyl diisocyanate, dioctyl fumarate, or other polyolefins grafted with polar monomers. Preferably, each compound of dihexyl succinate and maleic anhydride is present in an amount ranging from 0.5 to 35 wt. %.
[0026] Добавки могут представлять собой одно или несколько веществ из целлюлозы и микрокристаллической целлюлозы. Предпочтительно каждое соединение из целлюлозы и микрокристаллической целлюлозы присутствует в количестве, составляющем от 0,5 до 35 мас. %.[0026] Additives may be one or more of cellulose and microcrystalline cellulose. Preferably, each cellulose and microcrystalline cellulose compound is present in an amount ranging from 0.5 to 35 wt. %.
[0027] Продолжительность времени, требуемого для разложения биоразлагаемых полимерных композиций, может быть селективно увеличена или уменьшена посредством регулирования количества термопластического крахмала, целлюлозы и/или микрокристаллической целлюлозы в композициях. Когда увеличивается относительное количество термопластического крахмала, целлюлозы и/или микрокристаллической целлюлозы, уменьшается продолжительность времени, требуемого для разложения композиций. Предпочтительно регулируют относительное количество термопластического крахмала, а не относительное количество целлюлозы или микрокристаллической целлюлозы, таким образом, чтобы селективно увеличивать или уменьшать продолжительность времени, требуемого для разложения композиций. Кроме того, продолжительность времени, требуемого для разложения биоразлагаемых полимерных композиций, может быть селективно увеличена или уменьшена посредством регулирования количества РНВННх в композициях. Когда увеличивается относительное количество РНВННх, увеличивается продолжительность времени, требуемого для разложения композиций.[0027] The length of time required for biodegradable polymer compositions to degrade can be selectively increased or decreased by adjusting the amount of thermoplastic starch, cellulose and/or microcrystalline cellulose in the compositions. As the relative amount of thermoplastic starch, cellulose and/or microcrystalline cellulose increases, the length of time required for the compositions to degrade decreases. Preferably, the relative amount of thermoplastic starch, rather than the relative amount of cellulose or microcrystalline cellulose, is adjusted so as to selectively increase or decrease the length of time required for the compositions to decompose. In addition, the length of time required for biodegradable polymer compositions to degrade can be selectively increased or decreased by adjusting the amount of PHBHx in the compositions. As the relative amount of PHBHHx increases, the length of time required for the compositions to degrade increases.
[0028] Источники углерода, используемые для изготовления биоразлагаемого полимера, могут представлять собой отходы каннабиса, листья, твердые рыбные отходы, кленовый сок, тыквенные семена, виноградные выжимки или виноградная мезга, или отходы от производства вина/пива/дистиллированных спиртных напитков. Предпочтительно отходы каннабиса представляют собой материал, используемый в качестве источника углерода для изготовления РНВ. Отходы каннабиса представляют собой корни, обрезки, листья и стебли растений, то есть практически все части, за исключением цветковых почек растения Cannabis sativa L (конопля посевная по классификации Ламарка).[0028] The carbon sources used to make the biodegradable polymer may be cannabis waste, leaves, fish solids, maple sap, pumpkin seeds, grape pomace or grape pulp, or waste from wine/beer/distilled spirits production. Preferably, the cannabis waste is the material used as a carbon source for making the RHC. Cannabis waste consists of roots, trimmings, leaves and stems of plants, that is, almost all parts, with the exception of the flowering buds of the Cannabis sativa L plant (hemp according to the Lamarck classification).
[0029] Отходы каннабиса являются особенно подходящими для использования в качестве источника углерода в изготовлении РНВ с применением микроорганизмов, потому что растение каннабиса имеет высокое содержание биомассы и быстро растет в большинстве климатических условий, требуя лишь умеренные количества воды и удобрений. По сравнению с другими потенциальными источниками углерода, такими как сельскохозяйственные и лесохозяйственные биомассы, уголь, нефтяные остатки и кости, отходы каннабиса имеют уникальные иерархические пористые структуры и соединенные макропоры. В результате этого отходы каннабиса имеют желательные характеристики для использования в качестве источника углерода, такие как пористость, адсорбционная способность и степень поверхностной реакционной способности. По сравнению с другими потенциальными источниками углерода, отходы каннабиса также имеют более высокую концентрацию углерода и менее высокое содержание азота, калия и фосфора, что является благоприятным для изготовления РНВ с применением микроорганизмов.[0029] Cannabis waste is particularly suitable for use as a carbon source in the manufacture of microbial-assisted RHC because the cannabis plant has a high biomass content and grows rapidly in most climates, requiring only moderate amounts of water and fertilizer. Compared to other potential carbon sources such as agricultural and forestry biomass, coal, petroleum residues, and bones, cannabis waste has unique hierarchical porous structures and interconnected macropores. As a result, cannabis waste has desirable characteristics for use as a carbon source, such as porosity, adsorption capacity, and degree of surface reactivity. Compared to other potential carbon sources, cannabis waste also has a higher carbon concentration and lower nitrogen, potassium and phosphorus content, which is favorable for the manufacture of microorganism-based RHCs.
[0030] Для использования в изготовлении РНВ отходы каннабиса подвергают первоначальной переработке посредством механического измельчения посредством следующего способа. Отходы каннабиса могут быть подвергнуты переработке посредством резания, помола, прессования или других подходящих способов механического измельчения в целях увеличения доступной площади поверхности для удаления целлюлозы и жирных кислот. После этого осуществляют отделение жирных кислот от переработанных отходов каннабиса, чтобы обеспечить источник углерода для синтеза РНВ, например, следующим образом.[0030] For use in the manufacture of RHC, cannabis waste is initially processed through mechanical grinding through the following method. Cannabis waste may be processed by cutting, grinding, pressing or other suitable mechanical reduction methods to increase the available surface area for the removal of cellulose and fatty acids. Fatty acids are then separated from the processed cannabis waste to provide a carbon source for RHC synthesis, for example as follows.
Пример: производственная питательная среда 1Example: production culture medium 1
[0031] Переработанные отходы каннабиса смешивают с раствором 1% серной кислоты в соотношении 10 г растительных отходов на 100 мл раствора кислоты. Раствор нагревают, предпочтительно в автоклаве, в течение 25 минут при температуре 121°С, затем охлаждают до комнатной температуры. После этого раствор нейтрализуют раствором 2 М NaOH и фильтруют через сито для удаления крупных частиц растительных отходов. Раствор затем центрифугируют в течение 20 минут при ускорении 1500 g, и надосадочный раствор фильтруют через мембрану, имеющую размер пор, составляющий приблизительно 1 мм. Полученный в результате фильтрат, содержащий собой продукты гидролиза отходов каннабиса, можно немедленно использовать или хранить при температуре 4°С до востребования.[0031] Processed cannabis waste is mixed with a solution of 1% sulfuric acid in a ratio of 10 g of plant waste per 100 ml of acid solution. The solution is heated, preferably in an autoclave, for 25 minutes at 121°C, then cooled to room temperature. After this, the solution is neutralized with a solution of 2 M NaOH and filtered through a sieve to remove large particles of plant waste. The solution is then centrifuged for 20 minutes at 1500 g and the supernatant solution is filtered through a membrane having a pore size of approximately 1 mm. The resulting filtrate, containing hydrolysis products of cannabis waste, can be used immediately or stored at 4°C until required.
[0032] Производственную питательную среду 1 получают посредством смешивания фильтрата с минеральной солевой средой 2Х (0,9 г (NH4)2SO4, 0,3 г KH2PO4, 1,32 г Na2HPO4, 0,06 г MgSO4⋅7H2O, 300 мкл раствора микроэлементов (0,97 г FeCl3, 0,78 г CaCl2, 0,0156 г CuSO4⋅5H2O, 0,326 г NiCl2⋅6H2O) в 100 мл 0,1 М HCl) в соотношении 1:1. Среду немедленно помещают в автоклав и обрабатывают в течение 10 минут при температуре 121°С.[0032] Production nutrient medium 1 is prepared by mixing the filtrate with mineral salt medium 2X (0.9 g (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.3 g KH 2 PO 4 , 1.32 g Na 2 HPO 4 , 0.06 g MgSO 4 ⋅7H 2 O, 300 μl of a solution of trace elements (0.97 g FeCl 3 , 0.78 g CaCl 2 , 0.0156 g CuSO 4 ⋅5H 2 O, 0.326 g NiCl 2 ⋅6H 2 O) in 100 ml 0.1 M HCl) in a 1:1 ratio. The medium is immediately placed in an autoclave and treated for 10 minutes at 121°C.
Пример: экстракция 1Example: Extraction 1
[0033] Синтез и экстракция биоразлагаемого полимера могут быть осуществлены с применением следующего способа. Подходящий микроорганизм культивируют в питательном бульоне из концентрата при температуре 30°С в процессе встряхивания со скоростью 150 об/мин в течение 72 часов и получают заквасочную культуру. Через 72 часа заквасочную культуру засевают в производственную питательную среду 1 в соотношении 1/10 (об./об.) инкубируют при температуре 30°С в процессе встряхивания со скоростью 150 об/мин в течение 72 часов с получением культуры.[0033] The synthesis and extraction of the biodegradable polymer can be carried out using the following method. A suitable microorganism is cultivated in a nutrient broth from the concentrate at a temperature of 30°C with shaking at a speed of 150 rpm for 72 hours and a starter culture is obtained. After 72 hours, the starter culture is inoculated into production nutrient medium 1 in a ratio of 1/10 (v/v) and incubated at a temperature of 30°C while shaking at a speed of 150 rpm for 72 hours to obtain a culture.
[0034] Культуру затем фильтруют через мембрану, имеющую размер пор, составляющий приблизительно 1 мм, для удаления нерастворимого растительного материала. Клетки микроорганизмов затем отделяют от подвергнутой фильтрованию культуры посредством центрифугирования при ускорении 1500 g в течение 20 минут. Надосадочный раствор отбрасывают, и клетки затем промывают посредством повторного суспендирования клеток в минеральной солевой среде и повторения центрифугирования и последующего отбрасывания надосадочного раствора.[0034] The culture is then filtered through a membrane having a pore size of approximately 1 mm to remove insoluble plant material. Microbial cells are then separated from the filtered culture by centrifugation at 1500 g for 20 minutes. The supernatant solution is discarded and the cells are then washed by resuspending the cells in mineral saline medium and repeating centrifugation and then discarding the supernatant solution.
[0035] После этого клетки повторно суспендируют в 150 мл раствора 0,2 М NaOH, интенсивно перемешивают вихревым способом для гомогенизации раствора и инкубируют при температуре 30°С в течение 1,5 часов. Это вызывает лизис клеток и высвобождение биоразлагаемой пластмассы в раствор NaOH. Биоразлагаемый полимер затем отделяют от раствора NaOH посредством центрифугирования при ускорении 1500 g в течение 20 минут и отбрасывания надосадочного раствора.[0035] The cells are then resuspended in 150 ml of 0.2 M NaOH, vigorously vortexed to homogenize the solution, and incubated at 30°C for 1.5 hours. This causes cell lysis and release of biodegradable plastic into the NaOH solution. The biodegradable polymer is then separated from the NaOH solution by centrifugation at 1500g for 20 minutes and discarding the supernatant.
[0036] Биоразлагаемый полимер повторно суспендируют в 150 мл воды milliQ, а затем отделяют от воды посредством центрифугирования при ускорении 1500 g в течение 20 минут. Надосадочный раствор отбрасывают для удаления примесей. Биоразлагаемый полимер затем повторно суспендируют в 150 мл 1% этанольного раствора и отделяют от этанольного раствора посредством центрифугирования при ускорении 1500 g в течение 20 минут. Надосадочный раствор снова отбрасывают для дополнительного удаления примесей.[0036] The biodegradable polymer is resuspended in 150 ml milliQ water and then separated from the water by centrifugation at 1500 g for 20 minutes. The supernatant solution is discarded to remove impurities. The biodegradable polymer is then resuspended in 150 ml of 1% ethanol solution and separated from the ethanol solution by centrifugation at 1500 g for 20 minutes. The supernatant solution is discarded again to further remove impurities.
Пример: производственная питательная среда 2Example: production culture medium 2
[0037] Осуществляют ультразвуковую обработку 5 г растительных отходов с 300 мл деионизированной воды при комнатной температуре. Фильтруют, используя фильтровальную бумагу Whatman №1, нагревают и интенсивно перемешивают фильтрат при температуре 55°С с добавлением 100 мл раствора гидроксида натрия (5%, мас./об.) и пероксида водорода (11%, об./об.) в течение 90 минут. Суспензию фильтруют, доводят до нейтрального значения рН и высушивают при температуре 50°С. Добавляют 5 г высушенной биомассы в 100 мл 6 М серной кислоты в процессе интенсивного перемешивания в течение 30 минут и останавливают реакцию посредством добавления 500 мл холодной деионизированной воды. Центрифугируют при скорости 10000 об/мин в течение 10 минут и промывают деионизированной водой до достижения нейтрального значения рН. Получение простых мономеров из целлюлозы осуществляют посредством применения 67% хлорида цинка и кислотного гидролиза при концентрации 0,5 М и температуре 70°С, в результате этого идеальным образом получают растворимые сахара с выходом, превышающим 80%. Конечный продукт, представляющий собой глюкозу, затем разбавляют в 1 л стерильного фосфатно-солевого буферного раствора при рН 7,0, и в результате этого получается производственная питательная среда 2 (конечные концентрации составляют 8 г/л NaCl, 0,2 г/л KCl, 1,44 г/л Na2HPO4, 0,24 г/л K2HPO4).[0037] Ultrasonic treatment of 5 g of plant waste with 300 ml of deionized water is carried out at room temperature. Filter using Whatman No. 1 filter paper, heat and vigorously stir the filtrate at a temperature of 55°C with the addition of 100 ml of a solution of sodium hydroxide (5%, w/v) and hydrogen peroxide (11%, v/v) in for 90 minutes. The suspension is filtered, adjusted to a neutral pH value and dried at a temperature of 50°C. Add 5 g of dried biomass to 100 ml of 6 M sulfuric acid while vigorously stirring for 30 minutes and stop the reaction by adding 500 ml of cold deionized water. Centrifuge at 10,000 rpm for 10 minutes and wash with deionized water until the pH is neutral. The preparation of simple monomers from cellulose is carried out by using 67% zinc chloride and acid hydrolysis at a concentration of 0.5 M and a temperature of 70° C., resulting in the ideal production of soluble sugars in a yield exceeding 80%. The final product, glucose, is then diluted in 1 L of sterile phosphate buffered saline at pH 7.0 to create production culture medium 2 (final concentrations are 8 g/L NaCl, 0.2 g/L KCl , 1.44 g/l Na 2 HPO 4 , 0.24 g/l K 2 HPO 4 ).
Пример: экстракция 2Example: Extraction 2
[0038] Синтез и экстракция РНВ для использования в биоразлагаемых полимерных композициях согласно настоящему изобретению могут быть осуществлены с применением следующего способа. Подходящие виды бактерий Bacillus культивируют в питательном бульоне из концентрата в течение ночи при температуре 37°С в процессе встряхивания со скоростью 120 об/мин. Раствор, содержащий 1,5×108 клеток/мл, можно добавлять в соотношении 1/10 об./об. в производственную питательную среду 2, которую дополняет ограниченный источник азота, такой как жидкий кукурузный экстракт (CSL) или соль аммония, в концентрации, эквивалентной 0,05% NH4Cl, и культивировать при температуре 37°С в процессе встряхивания со скоростью 120 об/мин в течение 72 часов. После этого клетки центрифугируют при ускорении 6500 g в течение 10 минут и высушивают при температуре 50°С.[0038] The synthesis and extraction of RNV for use in the biodegradable polymer compositions of the present invention can be accomplished using the following method. Suitable Bacillus species are cultured in the nutrient broth concentrate overnight at 37°C with shaking at 120 rpm. A solution containing 1.5×10 8 cells/ml can be added in a ratio of 1/10 v/v. into production medium 2 supplemented with a limited source of nitrogen such as corn slurry (CSL) or ammonium salt at a concentration equivalent to 0.05% NH 4 Cl and cultured at 37°C with shaking at 120 rpm /min for 72 hours. After this, the cells are centrifuged at 6500 g for 10 minutes and dried at 50°C.
[0039] Массу сухих клеток можно измерить, а затем РНВ можно экстрагировать с применением экстракции гидроксидом натрия и селективного растворения. Экстракцию гидроксидом натрия осуществляют посредством повторного суспендирования клеток в дистиллированной воде и добавления раствора NaOH (0,2 N NaOH) при температуре 30°С в течение от 1 до 5 часов. Значение рН доводят до 7,0, добавляя HCl, чтобы остановить реакцию. Центрифугируют при ускорении 2500 g в течение 20 минут. Гранулы РНВ извлекают посредством мягкого промывания в дистиллированной воде, повторно центрифугируют и высушивают на воздухе.[0039] The dry cell weight can be measured, and then the RNV can be extracted using sodium hydroxide extraction and selective dissolution. Sodium hydroxide extraction is performed by resuspending the cells in distilled water and adding NaOH solution (0.2 N NaOH) at 30°C for 1 to 5 hours. The pH is adjusted to 7.0 by adding HCl to stop the reaction. Centrifuge at 2500 g for 20 minutes. The RNV granules are recovered by gentle washing in distilled water, centrifuged again and air dried.
[0040] Селективное растворение осуществляют посредством воздействия минеральной кислоты, такой как серная кислота, на смесь, что приводит к выделению гранул в твердой фазе, в то время как нежелательный материал отделяется в жидкой фазе. Указанные фазы можно подвергать дополнительному разделению посредством центрифугирования при ускорении 5000 g. Нежелательный надосадочный раствор (жидкая фаза) подлежит утилизации, в то время как твердая фаза подвергается последующей обработке. Минеральная кислота позволяет успешно выделять РНВ из смеси, но его чистоту предпочтительно повышают перед применением. Это осуществляют посредством промывания продукта в щелочной ванне, такой как NaOH (рН 10). В результате промывания достигается высокий уровень выхода и чистоты (более 97%). Для обесцвечивания продукта может быть использовано имеющееся в продаже отбеливающее средство. После заключительного центрифугирования и промывания водой продукт РНВ готов к применению.[0040] Selective dissolution is accomplished by exposing the mixture to a mineral acid, such as sulfuric acid, resulting in granules being released in the solid phase while the unwanted material is separated in the liquid phase. These phases can be further separated by centrifugation at 5000 g. The unwanted supernatant solution (liquid phase) must be disposed of while the solid phase undergoes subsequent processing. Mineral acid makes it possible to successfully isolate RNV from a mixture, but its purity is preferably increased before use. This is accomplished by washing the product in an alkaline bath such as NaOH (pH 10). As a result of washing, a high level of yield and purity is achieved (more than 97%). A commercially available bleach can be used to bleach the product. After final centrifugation and washing with water, the RNV product is ready for use.
[0041] Для измерения выхода РНВ осуществляют центрифугирование и промывание гранул спиртом. Гранулы растворяют в хлороформе, и раствор переносят в чистые и предварительно взвешенные пробирки для отделения сыворотки. Пробирки выдерживают до испарения хлороформа и взвешивают для вычисления количества полученного РНВ. Этот способ позволяет получать от 2 до 5 г/л РНВ, используя от 7 до 9 г/л массы сухих клеток. Данный способ культивирования может быть видоизменен для использования с бактериями видов Bacillus, чтобы также получать большие количества РНВ из меньшего объема культуральной среды в течение менее продолжительного времени. В качестве альтернативы, аналогичным образом может быть использован вместо этого модифицированный штамм Cupriavidus necator.[0041] To measure the yield of RNV, centrifuge and wash the granules with alcohol. The granules are dissolved in chloroform and the solution is transferred into clean and pre-weighed serum separation tubes. The tubes are kept until the chloroform evaporates and weighed to calculate the amount of RNV obtained. This method allows you to obtain from 2 to 5 g/l RNV, using from 7 to 9 g/l dry cell mass. This culture method can be modified for use with Bacillus species to also produce larger quantities of RNV from a smaller volume of culture medium over a shorter period of time. Alternatively, a modified strain of Cupriavidus necator may be used in a similar manner instead.
Пример: экстракция 3Example: Extraction 3
[0042] Согласно другому варианту осуществления РНВ можно синтезировать и экстрагировать, используя бактерии Cupriavidus necator в качестве микроорганизма и отходы каннабиса в качестве источника углерода, посредством осуществления следующего способа. Здесь используется штамм С. necator, который способен производить РНВ и называется Alcaligenes eutrophus Н16 (бактерии С. necator были ранее известны как Alcaligenes eutrophus). Штамм A. eutrophus Н16 культивируют при температуре 30°С в минеральной солевой среде с ограниченным содержанием азота, добавляя 1% (об./об.) конопляного масла и 0,05% (мас./об.) NH4Cl в течение 72 часов. Канамицин (50 мг/л) добавляли для поддержания плазмиды с широким кругом хозяев, введенной в A. eutrophus Н16. После культивирования клетки извлекали и дважды промывали дистиллированной водой и лиофилизировали. РНВ экстрагировали с применением горячего хлороформа в аппарате Сокслета и очищали посредством переосаждения метанолом.[0042] According to another embodiment, RHC can be synthesized and extracted using the bacterium Cupriavidus necator as the microorganism and cannabis waste as the carbon source by implementing the following method. The strain used here is C. necator, which is capable of producing RNV and is called Alcaligenes eutrophus H16 (C. necator bacteria were previously known as Alcaligenes eutrophus). A. eutrophus strain H16 is cultivated at a temperature of 30°C in a mineral salt medium with a limited nitrogen content, adding 1% (v/v) hemp oil and 0.05% (w/v) NH 4 Cl for 72 hours. Kanamycin (50 mg/L) was added to maintain the broad host range plasmid introduced into A. eutrophus H16. After cultivation, the cells were removed and washed twice with distilled water and lyophilized. RNW was extracted using hot chloroform in a Soxhlet apparatus and purified by reprecipitation with methanol.
[0043] РНВ может быть получен способом экстракции 3 в количестве, составляющем приблизительно 0,0128 г РНВ в расчете на 1 г конопляного масла в час.[0043] RHB can be obtained by extraction method 3 in an amount of approximately 0.0128 g RHB per 1 g of hemp oil per hour.
Пример: экстракция 4Example: Extraction 4
[0044] Согласно другому варианту осуществления РНВ можно синтезировать и экстрагировать, используя бактерии С. necator в качестве микроорганизма и отходы каннабиса в качестве источника углерода посредством осуществления следующего способа. Поверхностно-активное вещество, представляющее собой аравийскую камедь, необязательно можно добавлять в реакционную среду, чтобы повышать способность С.к взаимодействию/использованию конопляного масла, поскольку отсутствует токсичность и ингибирование культивирования С. necator. Бактерии С. necator можно культивировать в минимальной питательной среде из концентрата, содержащей 2% фруктозы и 0,1% NH4Cl (16 г/л), NaH2PO4 (4 г/л), Na2HPO4 (4,6 г/л), K2SO4 (0,45 г/л), MgSO4 (0,39 г/л), CaCl2 (62 мг/л) и 1 мл/л раствора микроэлементов (15 г/л FeSO4⋅7H2O, 2,4 г/л MnSO4⋅H2O, 2,4 г/л ZnSO4⋅7H2O, и 0,48 г/л CuSO4⋅5H2O в растворе 0,1 М хлористоводородной кислоты). Клетки из минимальной питательной среды используют для засевания каждого ферментатора и достижения оптической плотности OD600 0,1. Каждый реакционный резервуар содержит 400 мл среды эмульгированного конопляного масла. Для минимальной питательной среды, содержащей 0,1% NH4Cl, используют приблизительно 2% конопляного масла. Для изготовления среды используют 10Х раствор аравийской камеди после смешивания с водой и быстрого перемешивания. Этот раствор центрифугируют при ускорении 10500 g для отделения нерастворимых частиц. Воду, осветленный раствор аравийской камеди и конопляное масло объединяют с фосфатом натрия (4,0 г/л) и K2SO4 (0,45 г/л). Смесь эмульгируют посредством гомогенизации или ультразвуковой обработки. Количество воды, добавляемой перед эмульгированием, зависит от конкретного устройства, используемого для изготовления эмульсии. После эмульгирования автоклав охлаждают и добавляют MgSO4 (0,39 г/л), CaCl2 (62 мг/л), микроэлементы (15 г/л FeSO4⋅7H2O, 2,4 г/л MnSO4⋅H2O, 2,4 г/л ZnFeSO4⋅7H2O, и 0,48 г/л CuSO4⋅5H2O в растворе 0,1 М хлористоводородной кислоты) и гентамицин (10 мкг/мл). Содержимое каждого реакционного резервуара выдерживают при температуре 30°С и рН 6,8 (регулируют с применением раствора 2 М NaOH) и перемешивают при скорости от 500 до 900 об/мин и концентрации растворенного кислорода 40% в течение 72 часов. Предпочтительно используют технологию периодической подпитки культуры клеток для поддержания избытка углерода в целях увеличения производства РНВ.[0044] According to another embodiment, RHC can be synthesized and extracted using the bacteria C. necator as the microorganism and cannabis waste as the carbon source by implementing the following method. The gum acacia surfactant may optionally be added to the reaction medium to enhance the ability of C. to interact with/utilize hemp oil as long as there is no toxicity or inhibition of C. necator culture. C. necator bacteria can be cultivated in a minimal nutrient medium from a concentrate containing 2% fructose and 0.1% NH 4 Cl (16 g/l), NaH 2 PO 4 (4 g/l), Na 2 HPO 4 (4, 6 g/l), K 2 SO 4 (0.45 g/l), MgSO 4 (0.39 g/l), CaCl 2 (62 mg/l) and 1 ml/l trace element solution (15 g/l FeSO 4 ⋅7H 2 O, 2.4 g/l MnSO 4 ⋅H 2 O, 2.4 g/l ZnSO 4 ⋅7H 2 O, and 0.48 g/l CuSO 4 ⋅5H 2 O in solution 0, 1 M hydrochloric acid). Cells from minimal growth medium are used to seed each fermenter to achieve an optical density of OD600 of 0.1. Each reaction tank contains 400 ml of emulsified hemp oil medium. For a minimum growth medium containing 0.1% NH 4 Cl, approximately 2% hemp oil is used. To prepare the medium, use a 10X solution of gum acacia after mixing with water and stirring quickly. This solution is centrifuged at 10,500 g to separate insoluble particles. Water, clarified gum arabic solution and hemp oil are combined with sodium phosphate (4.0 g/l) and K 2 SO 4 (0.45 g/l). The mixture is emulsified by homogenization or ultrasonic treatment. The amount of water added before emulsification depends on the specific device used to make the emulsion. After emulsification, the autoclave is cooled and MgSO 4 (0.39 g/l), CaCl 2 (62 mg/l), trace elements (15 g/l FeSO 4 ⋅7H 2 O, 2.4 g/l MnSO 4 ⋅H 2) are added O, 2.4 g/l ZnFeSO 4 ⋅7H 2 O, and 0.48 g/l CuSO 4 ⋅5H 2 O in a solution of 0.1 M hydrochloric acid) and gentamicin (10 μg/ml). The contents of each reaction vessel were maintained at 30° C. and pH 6.8 (adjusted using 2 M NaOH solution) and stirred at 500 to 900 rpm and 40% dissolved oxygen for 72 hours. Preferably, feed-batch technology is used to maintain excess carbon in the cell culture to increase RHC production.
[0045] РНВ можно производить способом экстракции 4 в количестве, составляющем приблизительно 0,2415 г РНВ на 1 г конопляного масла.[0045] RHB can be produced by extraction method 4 in an amount of approximately 0.2415 g RHB per 1 g of hemp oil.
Пример: экстракция 5Example: extraction 5
[0046] Согласно другому варианту осуществления РНВ можно синтезировать и экстрагировать, используя Cupriavidus necator и модифицированный штамм Escherichia coli, а также необязательный модифицированный штамм Aeromonas hydrophila, содержащий гены phbA и phbB в качестве микроорганизмов и отходы каннабиса в качестве источника углерода посредством осуществления следующего способа. Сначала отходы каннабиса измельчают и помещают в воду в количестве, составляющем приблизительно 2% (мас./об.), при температуре, составляющей приблизительно 30°С. Смесь каннабиса и воды засевают смешанной культурой, содержащей С. necator и Е. coli и необязательно A. hydrophila, и добавляют удобрение, такое как экстракт рисовых отрубей в концентрации 0,1%. Реакционную среду затем перемешивают в течение 20 часов, чтобы обеспечить культивирование. После первоначального периода культивирования перемешивание реакционной среды продолжают в течение 15 часов без добавления какого-либо дополнительного удобрения, чтобы индуцировать состояние удаления азота и способствовать получению РНВ.[0046] In another embodiment, RNV can be synthesized and extracted using Cupriavidus necator and a modified Escherichia coli strain, as well as an optional modified Aeromonas hydrophila strain containing phbA and phbB genes as microorganisms and cannabis waste as a carbon source, by implementing the following method. First, the cannabis waste is crushed and placed in water in an amount of approximately 2% (w/v) at a temperature of approximately 30°C. The cannabis and water mixture is inoculated with a mixed culture containing C. necator and E. coli and optionally A. hydrophila, and a fertilizer such as rice bran extract at a concentration of 0.1% is added. The reaction medium is then stirred for 20 hours to allow culture. After the initial culture period, stirring of the reaction medium is continued for 15 hours without adding any additional fertilizer to induce a nitrogen-removing state and promote the production of RNV.
[0047] Экстракцию РНВ осуществляют посредством добавления минеральной кислоты, такой как серная кислота, в реакционную среду приблизительно через 35 часов. Гранулы РНВ отделяют посредством центрифугирования при ускорении 5000 g. Нежелательный надосадочный раствор (жидкая фаза) подлежит утилизации, в то время как твердая фаза подвергается последующей обработке. Минеральная кислота позволяет успешно выделять РНВ из смеси. Чистота соединения может быть повышена посредством промывания продукта в щелочной ванне, такой как NaOH (рН 10), с последующим центрифугированием и промыванием водой. Этот способ обеспечивает высокий уровень выхода и чистоты (более 97%). Для обесцвечивания продукта может быть использовано имеющееся в продаже отбеливающее средство.[0047] Extraction of PHB is carried out by adding a mineral acid, such as sulfuric acid, to the reaction medium after approximately 35 hours. RNV granules are separated by centrifugation at 5000 g. The unwanted supernatant solution (liquid phase) must be disposed of while the solid phase undergoes subsequent processing. Mineral acid makes it possible to successfully isolate RNV from the mixture. The purity of the compound can be increased by washing the product in an alkaline bath such as NaOH (pH 10), followed by centrifugation and washing with water. This method provides a high level of yield and purity (more than 97%). A commercially available bleach can be used to bleach the product.
Пример: производственная питательная среда 3Example: production culture medium 3
[0048] Согласно другому варианту осуществления РНВ можно синтезировать и экстрагировать, используя Pseudomonas putida GPp104 в качестве микроорганизмов и отходы каннабиса в качестве источника углерода посредством осуществления следующего способа. P. putida культивируют в течение ночи в среде лизогенного бульона (LB), содержащей 50 мг/л канамицина, при температуре 30°С в процессе встряхивания со скоростью 200 об/мин. Фосфатно-солевой буферный раствор для засевания этого штамма содержит 9,0 г/л Na2HPO4⋅12H2O, 1,5 г/л KH2PO4, 1,0 г/л (NH4)2FeSO4 и 0,4 г/л MgFeSO4⋅7H2O и имеет рН 7,0.[0048] According to another embodiment, RHC can be synthesized and extracted using Pseudomonas putida GPp104 as microorganisms and cannabis waste as a carbon source by implementing the following method. P. putida is cultured overnight in lysogeny broth (LB) medium containing 50 mg/L kanamycin at 30°C with shaking at 200 rpm. The phosphate-buffered saline solution for inoculating this strain contains 9.0 g/l Na 2 HPO 4 ⋅12H 2 O, 1.5 g/l KH 2 PO 4 , 1.0 g/l (NH 4 ) 2 FeSO 4 and 0.4 g/l MgFeSO 4 ⋅7H 2 O and has a pH of 7.0.
Пример: экстракция 6Example: Extraction 6
[0049] После культивации в течение ночи культуру P. putida, содержащую 1,5×108 клеток/мл, можно добавлять в соотношении 1/10 об./об. в 1 л производственной питательной среды 3 и культивировать при температуре 30°С в процессе встряхивания при скорости 200 об/мин в течение 72 часов. РНВ можно экстрагировать, используя гипохлорит натрия следующим образом. В 8 г биомассы добавляют 100 мл гипохлорита натрия (30%) и инкубируют в течение 90 минут при температуре 37°С. Гранулы отделяют посредством центрифугирования и промывают спиртом. Гранулы растворяют в хлороформе и необязательно переносят в чистые и предварительно взвешенные пробирки для отделения сыворотки. Пробирки выдерживают до испарения хлороформа и взвешивают для вычисления количества полученного РНВ.[0049] After overnight cultivation, a P. putida culture containing 1.5 x 10 8 cells/ml can be added at a ratio of 1/10 v/v. in 1 liter of industrial nutrient medium 3 and cultivate at a temperature of 30°C while shaking at a speed of 200 rpm for 72 hours. RHB can be extracted using sodium hypochlorite as follows. Add 100 ml of sodium hypochlorite (30%) to 8 g of biomass and incubate for 90 minutes at 37°C. The granules are separated by centrifugation and washed with alcohol. The granules are dissolved in chloroform and optionally transferred to clean and pre-weighed serum separation tubes. The tubes are kept until the chloroform evaporates and weighed to calculate the amount of RNV obtained.
[0050] Настоящее изобретение было описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, однако специалисты в данной области техники должны понимать, что могут быть произведены разнообразные изменения, и некоторые элементы могут быть замещены соответствующими эквивалентами без выхода за пределы объема настоящего изобретения, представленного в следующей формуле изобретения. Таким образом, предусмотрено, что настоящее изобретение не является ограниченным конкретными вариантами осуществления, которые описаны в настоящем документе.[0050] The present invention has been described with reference to an exemplary embodiment, however, those skilled in the art will understand that various changes may be made and certain elements may be replaced by corresponding equivalents without departing from the scope of the present invention as set forth in the following claims inventions. Thus, it is intended that the present invention is not limited to the specific embodiments that are described herein.
Claims (42)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/722,535 | 2018-08-24 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2024111281A Division RU2024111281A (en) | 2018-08-24 | 2019-08-23 | BIODEGRADABLE POLYMER COMPOSITION AND METHOD OF ITS MANUFACTURE |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021107500A RU2021107500A (en) | 2022-09-26 |
| RU2818688C2 true RU2818688C2 (en) | 2024-05-03 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2557294C2 (en) * | 2010-02-25 | 2015-07-20 | Колгейт-Палмолив Компани | METHOD OF PRODUCING ARGININE USING Corynebacterium glutamicum ATCC 21831 OR Corynebacterium glutamicum ATCC 21493 IN FERMENTATION MEDIUM CONTAINING CASSAVA PULP OR JACKFRUIT SEEDS AS CARBON SOURCE |
| US20170240840A1 (en) * | 2016-02-18 | 2017-08-24 | Preprocess Inc. | Extraction of oils from biomass solids using varying temperature pressure and solvent materials |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2557294C2 (en) * | 2010-02-25 | 2015-07-20 | Колгейт-Палмолив Компани | METHOD OF PRODUCING ARGININE USING Corynebacterium glutamicum ATCC 21831 OR Corynebacterium glutamicum ATCC 21493 IN FERMENTATION MEDIUM CONTAINING CASSAVA PULP OR JACKFRUIT SEEDS AS CARBON SOURCE |
| US20170240840A1 (en) * | 2016-02-18 | 2017-08-24 | Preprocess Inc. | Extraction of oils from biomass solids using varying temperature pressure and solvent materials |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KHATTAB M.M. et al. Production and recovery of poly-3-hydroxybutyrate bioplastics using agro-industrial residues of hemp hurd biomass. Bioprocess and biosystems engineering, Springer, 16.04.2019, vol.42, no.7, pp.1115-1127. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sathya et al. | Production of polyhydroxyalkanoates from renewable sources using bacteria | |
| JP2024133076A (en) | Biodegradable polymer composition and method for producing same | |
| KR102535278B1 (en) | Methods for producing biopolymer matrix composites | |
| Haddadi et al. | The bioextraction of bioplastics with focus on polyhydroxybutyrate: A review | |
| DE4433134A1 (en) | Process for the preparation of polyhydroxy fatty acids and recombinant bacterial strains for carrying out the process | |
| Akhlaq et al. | Polyhydroxybutyrate biosynthesis from different waste materials, degradation, and analytic methods: A short review | |
| Mohapatra et al. | A review on PHAs: the future biopolymer | |
| JP2013521802A (en) | Production of polyhydroxyalkanoates | |
| Mojaveryazdia et al. | Production of biodegradable polymers (PHA) through low cost carbon sources: Green Chemistry | |
| Sharma et al. | Polyhydroxybutyrate as an Eco‐Friendly Alternative of Synthetic Plastics | |
| RU2818688C2 (en) | Biodegradable polymer composition and method for production thereof | |
| Javaid et al. | Biodegradable Plastics as a Solution to the Challenging Situation of Plastic Waste Management | |
| Mahitha et al. | Microbial polyhydroxybutyrate production by using cheap raw materials as substrates | |
| Maheswari et al. | A comparative study on the PHB production by Bacillus species under solid-state fermentation by agricultural wastes | |
| Zahari et al. | PHB Production, Properties, and Applications | |
| CN102119220A (en) | Preparation of PHA (polyhydroxyalkanoates) from a citric residue | |
| Zulkafli | Production of Bioplastic from Agricultural Waste | |
| Meixner et al. | Poly (3-hydroxybutyrate) as renewable resource | |
| RU2021107500A (en) | BIODEGRADABLE POLYMER COMPOSITION AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE | |
| MISHRA et al. | Microbial Biopolymer Technology–An Overview | |
| POLY | Doan Van Thuoc and Tran Thi Loan | |
| RU2024111281A (en) | BIODEGRADABLE POLYMER COMPOSITION AND METHOD OF ITS MANUFACTURE | |
| JP2021087376A (en) | Methods for producing biodegradable plastics using seaweed as raw materials | |
| Voaides et al. | PHAs accumulation in Pseudomonas putida P5 (wild type and mutant) in lipid containing media | |
| NZ731224B2 (en) | Methods for producing biopolymer matrix composites |