Polyhydroksialkanoaatit

Polyhydroksialkanoaatit ovat polyestereihin kuuluvia bakteerien tuottamia polymeereja. Ryhmän polymeerit ovat suoraketjuisia hydroksihappojen johdannaisia. Polyhydroksialkanoaatteja voidaan käyttää mahdollisesti biomuovina muun muassa pakkauksissa ja niiden ominaisuudet muistuttavat paljon petrokemianteollisuuden tuotteista valmistettavien polymeerien ominaisuuksia.

Biosynteesi

Bakteereissa polyhydroksialkanoaatit esiintyvät veteen liukenemattomina rykelminä ja polyhydroksialkanoaattien massa voi vastata jopa 90 % bakteerisolujen kuivapainosta. Bakteereissa niiden tehtävä on toimia hiili- ja energiavarastoina. Polyhydroksialkanoaatteja bakteerit valmistavat fermentaation avulla muun muassa sokereista, rasvahapoista ja aminohapoista. Polyhydroksialkanoaatit voidaan jakaa kahteen luokkaan monomeerien hiiliketjun pituuden perusteella. Lyhytketjuiset polyhydroksialkanoaatit koostuvat monomeereista, joissa on 3–5 hiiliatomia ja keskipitkien polyhydroksialkanoaattien monomeereissa on 6–16 hiiliatomia. Yleensä bakteerit tuottavat joko lyhytketjuisia tai keskipitkiä polyhydroksialkanoaatteja ja näiden biosynteesiin ovat omat erikoistuneet entsyyminsä. Eräissä tapauksissa bakteerit voivat muodostaa myös hybridejä, joissa on sekä lyhyitä että pidempiä monomeereja.
Bakteerit muodostavat hiilenlähteistä karboksyylihappoja ja niiden koentsyymi-A-johdannaisia, joita ne hyödyntävät polyhydroksialkanoaattien biosynteesissä. Tyypillisiä polyhydroksialkanoaattien biosynteesin lähtöaineita ovat muun muassa asetyylikoentsyymi-A, propionyylikoentsyymi-A, valeryylikoentsyymi-A, rasvahappojen koentsyymi-A-johdannaiset, sekä hydroksialkanoyylikoentsyymi-A-johdannaiset. Bakteerit kondensoivat näitä karboksyylihappo-koentsyymi-A-johdannaisia polyhydroksialkanoaateiksi. Esimerkiksi (R)-3-hydroksibutyryylikoentsyymi-A-molekyylien kondensoiminen itsensä kanssa johtaa poly-3-hydroksibutyraattiin ja (R)-3-hydroksibutyryylikoentsyymi-A-molekyylien kondensoituminen 3-hydroksivaleryylikoentsyymi-A:n kanssa johtaa polyhydroksibutyraattivaleraattiin.  Polyhydroksialkanoaattien teollisessa valmistuksessa käytettäviä bakteereja ovat muun muassa Escherichia coli, Alcaligenes eutrophus ja Cupriavidus necator. Polyhydroksialkanoaattien biosynteesin on havaittu olevan aktiivista silloin, kun soluissa on runsaasti hiilenlähteitä mutta typen, fosforin ja hapen määrä on vähäinen. Fermentaation jälkeen polyhydroksialkanoaatit erotetaan hajottamalla bakteerisolut ja tämän jälkeen esimerkiksi liuotinuutolla.

Ominaisuudet ja käyttö

Tunnetuimmat polyhydroksialkanoaatit ovat polyhydroksibutyraatti, polyhydroksivaleraatti ja polyhydroksibutyraattivaleraatti. Tyydyttyneistä monomeereista muodostuneet polyhydroksialkanoaatit ovat ominaisuuksiltaan tyypillisesti kiteisiä ja termoplastisia. Esimerkiksi polyhydroksibutanoaatin sulamispiste ja vetolujuus ovat hyvin lähellä polypropeenin vastaavia arvoja, mutta se ei ole yhtä elastista. Polyhydroksialkanoaatteja on useita erilaisia ja niiden ominaisuudet vaihtelevat huomattavasti. Polyhydroksialkanoaattien elastisuus kasvaa monomeerien koon kasvaessa. Mikäli osa monomeereista on tyydyttymättömiä, ovat polyhydroksialkanoaatit kumimaisia tai geelimäisiä. Polyhydroksialkanoaateille tyypillistä on niiden biohajoavuus. Eräät polyhydroksialkanoaatit, esimerkiksi polyhydroksibutyraatti, ovat optisesti aktiivisia.
Polyhydroksialkanoaatteja on tutkittu muun muassa pakkausmateriaaleina sekä lääketieteellisiin sovelluksiin. Niiden käytössä ongelmaksi on osoittautunut monien polyhydroksialkanoaattien hauraus ja se, että prosessointi tuotteeksi on vaikeaa. Lisäksi polyhydroksialkanoaattien tuotantokustannukset ja sitä kautta hinta ovat merkittävästi korkeampia verrattuna maaöljystä valmistettaviin polymeereihin.