Enzymatic synthesis and functionalization of bio-based polyesters

• Main Author: Pellis, Alessandro
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2016
• Subjects: Biopolymere; Polyester; Cutinase; Hydrolasen; biobasierte Polyester; cutinases; Lipasen; enzymatische Synthesen; Oberflaechenfunktionalisierung; bio-based polyesters; lipases; enzymatic synthesis; surface functionalization; Antarc*; Antarctica
• Online Access: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubbw:1-19502

Diese Dissertation wurde im Rahmen des EU-REFINE Projektes im EU-7th Framework Programme for Research and Technological Development durchgeführt. Das generelle Ziel des EU-Projektes war die Entwicklung neuer Technologien und Fähigkeiten bei der umweltfreundlichen und nachhaltigen Produktion von Materialien. Das Projekt vereinte in einzigartiger Art und Weise Expertise in den Bereichen Materialwissenschaften, Biotechnologie sowie ökologischer Bewertung entlang der gesamten Produktionskette von Polymeren. Basieren auf diesen generellen Zielen war der Schwerpunkt dieser Dissertation die Erforschung des Potentials hydrolytischer Enzyme zur Entwicklung umweltfreundlicher Verfahren für die Synthese, Hydrolyse und Funktionalisierung von Polyestern. In einer ersten Phase wurde die biokatlytische Synthese von Polyestern untersucht. In diesem Zusammenhang wurde das Potential einer Hydrolase, nämlich der Cutinase 1 von Thermobifida cellulosilytica bekannt für die Hydrolyse von Poly(ethylene terephthalate) untersucht. Verfahren für die Produktion, Reinigung und Immobilisierung dieses Enzyms wurde entwickelt und aliphatische biobasierten Polyester mit Mw und Mn von ca. 1900 bzw. 1000 Da konnten erfolgreich synthetisiert werden. Diese Ergebnisse wurden zu Synthesen mittels der Lipase B aus Candida antarctica (CaLB) sowie der Cutinase von Humicola insolens (HiC) verglichen und bioinformatische Studien durchgeführt. Mittels CaLB wurde in weiterer Folge die Synthese von aliphatisch-aromatischen Oligoestern in einfachen einstufigen "one-pot" Systemen studiert. Dabei kristallisierte sich eine Kombination aus Dimethylisophthalat und 1,10-Decanediol als beste Ausgangsprodukte heraus was zu Oligoestern mit einem Mw von 1512 Da führte mit einem Umsatz 87% nach 96 Stunden. In der zweiten Phase der Arbeit wurde das Potential von Enzymen zur Hydrolyse und Funktionalisierung von Polyestern untersucht. Dabei wurde HiC erfolgreich für die Oberflächenhydrolyse von Poly(L-Milchsäure) (PLA) eingesetzt und resultierte in einer Reduktion des Wasser-Kontaktwinkels von PLA von 74.6 zu 33.1 einhergehend mit einer Erhöhung der Rauheit der Oberfläche. Das Potential von Enzymen zur gezielten Funktionalisierung von PLA Oberflächen wurde durch Einsatz spezieller Methoden wie der 14C- Markierung der zu koppelnden Moleküle oder mittel XPS gezeigt. Schließlich konnte erstmals eine enzymatische Hydrolyse des biobasierten Polyesters Poly(ethylene furanoat) (PEF) an selbst synthetisierten Filmen mit Molekulargewichten von 6 bis 40 kDa nachgewiesen werden. Dabei konnte mittels LC/TOF-MS Analyse gezeigt werden, dass von der Cutinase Oligomere bis zu einem Polymerisationsgrad von DP4 freigesetzt wurden. Insgesamt konnte also dieser Arbeit das Potential umweltfreundlicher Biokatalysatoren sowohl zur Produktion wie auch zur Verarbeitung von bio-basierten Polymeren dargestellt werden. The work described in this thesis was carried out in the context of the EU-7th Framework Programme for Research and Technological Development within the REFINE project. The aim was to develop new skills and expertise in sustainable green materials manufacturing and technologies and applications for the development of a greener and more sustainable society. This project was based on the unique combination of knowledge along the production chain in polymer and materials science, biotechnology and applications, ecological impact and Life Cycle Analysis. Following the given tasks, the individual focus of this thesis was on hydrolytic enzymes as green catalysts with an enormous unexploited potential for the synthesis, hydrolysis and functionalization of polyesters. In a first step, the biocatalyzed synthesis of polyesters was studied. In this context we investigated the synthetic potential of Thermobifida cellulosilytica cutinase 1 (Thc_cut1), an hydrolytic enzyme previously reported for the hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Production, purification and immobilization of the biocatalyst together with the synthesis of aliphatic bio-based polyesters with Mw of around 1900 and Mn of around 1000 Da was investigated and compared to lipase B from Candida antarctica (CaLB) or cutinase from Humicola insolens (HiC). Computational studies were also carried out for a better comparison of these biocatalysts. Additionally, the use of a commercial preparation of CaLB for the synthesis of aliphatic-aromatic oligoesters in a simple one-step, one-pot reaction system was described. A detailed analysis of the reaction products showed that the best combination of diester and polyol was consisting of dimethyl isophthalate with 1,10-decanediol that led to a Mw as high as 1512 Da and a conversion of 87% after 96 h of reaction. In a second instance, biocatalysts were investigated for their ability to hydrolyze and functionalize chemically-produced bio-based polyesters. HiC was explored for the surface hydrolysis of poly(L-lactic acid) (PLA) films. A change of water contact angle from 74.6 to 33.1 was measured while the roughness and waviness were an order of magnitude higher in comparison to the blank. Surface functionalization was demonstrated using two different techniques, 14C-radiochemical analysis and X-ray photoelectron spectroscopy using 14C-butyric acid sodium salt and 4,4,4-trifluorobutyric acid as model molecules, respectively. Moreover, the enzymatic hydrolysis of poly(ethylene furanoate) (PEF) was also successfully carried out. PEF powders of various molecular weights (6, 10 and 40 kDa) were synthetized and their susceptibility to enzymatic hydrolysis was investigated for the first time. According to LC/TOF-MS analysis, Thc_cut1 liberated both 2,5-furandicarboxylic acid and oligomers of up to DP4 for all the tested samples. Hence, in summary in this work the high potential of environmentally friendly biocatalysts both for production and processing of polymers was demonstrated. Alessandro Pellis M. Sc. Zusammenfassung in deutscher Sprache Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Universität für Bodenkultur Wien, Dissertation, 2016 OeBB (VLID)1931737