Ανάπτυξη βιοτεχνολογικών διεργασιών για την τροποποίηση φυσικών και συνθετικών πολυμερών
Authors: Κανελλή Μαρία 
Published: September 2021

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται καινοτόμες βιοτεχνολογικές, φιλικότερες προς το περιβάλλον διεργασίες για την τροποποίηση συνθετικών και φυσικών πολυμερών, με στόχο την αναβάθμιση των ιδιοτήτων τους και τη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογών τους.Τα συνθετικά υφάσματα αποτελούν σημαντικό κομμάτι της κλωστοϋφαντουργίας, καθώς έχουν ευρύ πεδίο εφαρμογών, ωστόσο η υψηλή υδροφοβικότητα τους αποτελεί βασική αδυναμία. Η ενζυμική επεξεργασία αυτών των πολυμερικών υλικών είναι μια σύγχρονη και φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση που αποσκοπεί στην αύξηση της υδροφιλικότητας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, η ενζυμική επιφανειακή υδρόλυση υφάσματος πολυ(τερεφθαλικού αιθυλεστέρα) (ΡΕΤ) επιτυγχάνεται με χρήση μιας ανασυνδυασμένης κουτινάσης από τον Fusarium oxysporum. Αρχικά εξετάστηκε και επιβεβαιώθηκε η υδρολυτική ικανότητα της κουτινάσης σε δύο μοντέλα υποστρώματα, τον τερεφθαλικό δις-βενζοϋλοξυαιθυλεστέρα και τον εμπορικό τερεφθαλικό 2-υδροξυαιθυλεστέρα, που προσομοιάζουν την επιφάνεια του ΡΕΤ. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε υδρόλυση πλεκτών υφασμάτων ΡΕΤ. Η υδρόλυση ποσοτικοποιήθηκε με υπολογισμό της συγκέντρωσης του τερεφθαλικού οξέος και των παραγώγων του που απελευθερώνονται στο υπερκείμενο της αντίδρασης, ενώ βρέθηκαν οι βέλτιστες συνθήκες ενζυμικής υδρόλυσης: 40 οC, pH 8.0, και 1.92 mgενζυμικού φορτίου/gυφάσματος. Ακολούθως, έλαβε χώρα μελέτη αντοχής σε εφελκυσμό και δοκιμές βαφής, όπου επιτεύχθηκε αύξηση της έντασης χρώματος K/S κατά 150 %, χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του αρχικού υλικού. Η επιφανειακή ενζυμική υδρόλυση του πολυαμιδικού (PA) 6.6 υφάσματος έλαβε χώρα με χρήση της εμπορικής πρωτεάσης Alcalase 2.4 L σε βέλτιστες συνθήκες, όπως αυτές ορίζονται σύμφωνα με το πρωτόκολλο της εταιρίας Νovozymes. Αρχικά εξετάστηκε και επιβεβαιώθηκε η δυνατότητα ενζυμικής υδρόλυσης ενός μοντέλου υποστρώματος, του αδιπικού δις-εξυλαμιδίου, που μιμείται την πολυαμιδική επιφάνεια, με ποσοτικοποίηση των αμινομάδων που απελευθερώνονται στο υπερκείμενο της αντίδρασης. Στη συνέχεια τα τροποποιημένα ΡΑ υφάσματα μελετήθηκαν μέσω βαφής και αξιολόγησης της έντασης χρώματος K/S και διαφοράς χρώματος ΔE. Με εφαρμογή θερμοκρασιών από 40 έως 60 oC και pH 8.0 επιτεύχθηκε ΔE ίσο με 14 και 1.24-φορές αύξηση του K/S. Η ενζυμική υδρόλυση παράλληλα αύξησε την απορροφητικότητα σε νερό κατά 2.7 φορές, ενώ διατηρήθηκαν οι θερμικές και μηχανικές ιδιότητες της κύριας μάζας του συνθετικού υλικού. Η ελεγχόμενη ενζυμική τροποποίηση των PET και PA υφασμάτων εξετάστηκε και μέσω φασματοσκοπικών μεθόδων, όπως FTIR-ATR και XPS. Επιπρόσθετα, στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η παραγωγή της χρωστικής βιολασεΐνης από το βακτήριο Janthinobacterium lividum και η χρήση της για την βαφή πολυαμιδικών υφασμάτων, τα οποία απέκτησαν αντιμικροβιακές ιδιότητες. Οι βέλτιστες συνθήκες για μέγιστη παραγωγή βιομάζας και συνεκδοχικά βιολασεΐνης βρέθηκαν να είναι οι 25 oC, pH 7.0, ενώ η προσθήκη αμπικιλλίνης 0.2 mg/mL οδήγησε σε 1.3 φορές αύξηση της βιολασεΐνης. Σε μεγαλύτερη κλίμακα η προσθήκη 1 % (v/v) γλυκερόλης στη λογαριθμική φάση ανάπτυξης σε βιοαντιδραστήρα ημιδιαλείποντος έργου οδήγησε σε πενταπλάσια παραγωγή εκχυλισμένης ακατέργαστης βιολασεΐνης συγκέντρωσης 1.83 g/L. ΡΑ 6.6 υφάσματα βάφτηκαν μέσω τριών διεργασιών: μέσω παράλληλης ζύμωσης και βαφής του υφάσματος (SFD), μέσω επώασης του υφάσματος σε βακτηριακή καλλιέργεια μετά τη ζύμωση και ύστερα από εφαρμογή υπερήχων και τέλος με χρήση της εκχυλισμένης βιολασεΐνης από το εσωκυτταρικό. Οι μέγιστες τιμές ΔΕ και K/S που σημειώθηκαν ήταν 74.81 και 22.01, αντίστοιχα, για υφάσματα που βάφτηκαν μέσω της διεργασίας SFD. Ακόμη τα SFD βαμμένα δείγματα δεν επέδειξαν υποβάθμιση της αντοχής του χρώματος στον όξινο και αλκαλικό ιδρώτα και στο νερό. Με στόχο την μελέτη της αντιμικροβιακής ιδιότητας των βαμμένων με βιολασεΐνη υφασμάτων, εξετάστηκε η παρεμποδιστική τους δράση στην ανάπτυξη διάφορων παθογόνων μικροοργανισμών. Tα βαμμένα υφάσματα παρουσίασαν σημαντική αντιμικροβιακή δράση κατά των μυκήτων Candida albicans, Candida parapsilosis και Candida krusei, όπως επίσης και κατά των βακτηριακών στελεχών Escherichia coli και Staphylococcus aureus και του υπερβακτηρίου S. aureus MRSA.Αναφορικά με τα φυσικά πολυμερή, οι ακυλιωμένοι πολυσακχαρίτες ελκύουν το ενδιαφέρον, καθώς βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς τομείς ως βιοσυμβατές και βιοαποικοδομήσιμες ενώσεις. Στην παρούσα διατριβή, μελετήθηκε η δυνατότητα μιας εστεράσης του οξικού oξέος, που ανήκει στην οικογένεια υδατανθρακικών εστερασών CE2 από τον Clostridium thermocellum, να καταλύει την σύνδεση ακυλομάδων σε γλυκάνη και μαννο-πολυσακχαρίτες. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν αντιδράσεις μετεστεροποίησης μονοσακχαριτών και δισακχαριτών αλδοεξόζων, παρουσιάζοντας ενζυμική τοποεκλεκτικότητα στη θέση O-6 των σακχάρων, όπως επιβεβαιώθηκε μέσω NMR και ESI-MS. Οι τροποποιημένοι μονοσακχαρίτες παρουσίασαν αποδόσεις ακυλίωσης από 11 έως 65 %, με προτίμηση σε ακυλοδότες βραχείας αλύσου, ενώ οι δισακχαρίτες επέδειξαν αποδόσεις από 23 έως 58 %, με προτίμηση στην μονοακυλίωση. Οι αντιδράσεις μετεστεροποίησης των εν λόγω πολυσακχαριτών έλαβαν χώρα για πρώτη φορά σε συστήματα δύο φάσεων νερού/βινυλεστέρων, καθώς, όπως διαπιστώθηκε, δεν υπάρχει αντίστοιχη αναφορά στη βιβλιογραφία. Η μετεστεροποίηση των πολυσακχαριτών επιβεβαιώθηκε με TLC και FTIR, ενώ ο βαθμός ακυλίωσης προσδιορίστηκε, ύστερα από μεθανόλυση των πολυσακχαριτών και ποσοτικοποίηση των σχηματιζόμενων μεθυλεστέρων με HPLC, από 0.022 έως 1.083 mmol ακυλομάδας ανά g πολυσακχαρίτη, ανάλογα τη δομή και την σύσταση του πολυσακχαρίτη-στόχου.