Композитний матеріал, який містить зшивану смолу білкового матеріалу

Реферат: Винахід належить до композитного матеріалу, що містить від 80 до 99,9 мас. % наповнювача, де наповнювач являє собою щонайменше один матеріал, вибираний з неорганічного наповнювача і деревини, і де наповнювач має форму волокон, частинок або листів, і де наповнювач містить менше ніж 20 мас. % білкового матеріалу, і що додатково містить смолу, яка містить білковий матеріал, що містить білки і/або поліпептиди, які є зшиваними під дією ферментів, і ферменти, прийнятні для використання при згаданому зшиванні. Винахід також належить до застосування композитного матеріалу та способів отримання ливарних форм та дерев'яних панелей в результаті формування композитного матеріалу. UA 109111 C2 (12) UA 109111 C2 UA 109111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ОПИС ПЕРЕДУМОВИ ВИНАХОДУ 1. Галузь техніки Даний винахід стосується композитному матеріалу, що містить зшивану смолу на основі матеріалу, що зустрічається в природі і/або розкладається. 2. Опис рівня техніки Зшивані смоли добре відомі і часто використовуються в сферах застосування, які вимагають наявності високої теплостійкості і високої твердості. Смоли часто використовують в композитних матеріалах, в яких смола зв'язує частинки, волокна або листи (що тут і далі в даному документі загалом також називаються наповнювачем). На противагу термопластичним смолам зшиті смоли не плавляться. Такі смоли, наприклад, можуть мати в своїй основі складні поліефіри, акрилові смоли і/або амінопластові смоли. Внаслідок наявності зшивань отверджені смоли загалом важко руйнуються в природі. Декілька сфер застосування композитних матеріалів вимагають наявності даних вигідних властивостей, але в той же самий час їх несприятливий вплив на навколишнє середовище був би зведений до мінімуму у випадку використання матеріалів, що зустрічаються в природі, які переважно являють собою смоли, що розкладаються, щонайменше при утилізації продуктів, отриманих з даних композитних матеріалів. Як матеріали, що зустрічаються в природі і/або розкладаються, як відомо, використовують, наприклад, полімолочну кислоту, полівуглеводи або білки. Іноді дані полімери зшивають. Білки зшивають при використанні альдегідів; таких як формальдегід, глутаральдегід і тому подібне. Таке зшивання загалом відбувається при нагріванні системи смоли. У інших системах використовують матеріал на основі крохмалю, який може бути зшитий, наприклад, в результаті проведення етерифікації або реакцій з поліізоціанатами. З урахуванням наявності заклопотаності екологічними проблемами існує потреба в додатковій розробці композитних матеріалів, що містять системи смол, які характеризуються високими твердістю і/або міцністю. КОРОТКИЙ ВИКЛАД ВИНАХОДУ Даний винахід стосується композитних матеріалів, що містять більше ніж 50 % (мас.) наповнювача, і смолу, що містить білковий матеріал, який містить білки або поліпептиди, які є зшиваними під дією ферментів, і ферменти, прийнятні для використання при згаданому зшиванні. Композитний матеріал, що містить композицію зшитої смоли, є довговічним в сухих, а також вологих або сирих умовах. Одна додаткова перевага полягає в істотному зменшенні підведення енергії для зшивання смоли в зіставленні з термоотверджуваними смолами і за відсутності потреби у використанні для реакції зшивання яких-небудь небезпечних хімічних реагентів. Крім того, даний винахід стосується використання таких композитних матеріалів для ливарних форм або дерев'яних панелей і способу виготовлення ливарних форм або дерев'яних панелей в результаті формування композитного матеріалу, що складається з смоли і наповнювачів; при цьому смола містить білковий матеріал, який містить білки або поліпептиди, які можуть бути зшиті в результаті проведення ферментативної реакції (реакцій) при використанні ферментів, що мають прийнятні здатності. Крім того, даний винахід стосується способу зв'язування наповнювачів, подібних до волокон, частинок або листів, при цьому зв'язуюче містить білковий матеріал, який містить білки або поліпептиди, як зшиваний матеріал і фермент як каталізатор. Слово "смола" в такому випадку використовується взаємозамінним чином зі словом "зв'язуюче". Крім того, винахід стосується двокомпонентних клеїв для наповнювачів, подібних до деревини або шпону, де один компонент являє собою білковий матеріал (що містить білки і/або поліпептиди), а другий компонент являє собою фермент, здатний зшивати білки і/або поліпептиди в згаданому білковому матеріалі. КОРОТКИЙ ОПИС КРЕСЛЕНЬ Ознаки і переваги винаходу будуть зрозумілі при зверненні до креслень, які йдуть далі, в числі яких: Фігура 1 являє собою графічне зображення одного варіанту здійснення даного винаходу; Фігура 2 являє собою графічне зображення одного варіанту здійснення даного винаходу; Фігура 3 являє собою графічне зображення одного варіанту здійснення даного винаходу; і Фігура 4 являє собою графічне зображення одного варіанту здійснення даного винаходу. ОПИС ІЛЮСТРАТИВНИХ ВАРІАНТІВ ЗДІЙСНЕННЯ Далі йде опис певних варіантів здійснення винаходу, приведений тільки як приклад і при зверненні до креслень. Білкові матеріали, що містять білки або поліпептиди, які зшиваються під 1 UA 109111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дією ферментів, відомі, але дані системи загалом використовують в харчовій або кормовій промисловості. Несподівано виявилося те, що система зшиваної смоли фактично може використовуватися в промислових галузях застосування, що вимагають наявності високої міцності, навіть в тих, в яких використовують (дуже) малу кількість білкового матеріалу (на відміну від харчової і кормової промисловості, де композиції звичайно містять більше ніж 50 % білка, з розрахунку на суху масу). Під зшиванням в даний заявці мається на увазі утворення ковалентних зв'язків. Як відомо, ван-дер-ваальсові або іонні взаємодії спричиняють утворення певної когезійної сили, подібної до тієї, що і в желатині, але системи смол даного винаходу є вологостійкими і можуть бути істотно твердішими. Білковий матеріал, що використовується для зв'язуючого, може бути виготовлений з джерел рослинного (включаючи водорості), тваринного, грибкового і/або мікробіологічного (бактерії, дріжджі) походження. Матеріал може бути, а може і не бути частково відділений від інших речовин джерела (наприклад, полісахаридів). Білковий матеріал також може містити білки, гідролізовані в різних ступенях для отримання поліпептидів, що мають контрольовану молекулярну масу або для отримання коротших або більш лінійних ланцюгів, що переважно складаються із щонайменше 10 амінокислот. Крім того, можуть бути використані синтетичні поліпептиди, подібні до полілізину або поліамінокислот, що містять відносно велику кількість первинних аміногруп. Залежно від типу ферментативної системи можуть бути вибрані і функціональні групи, відмінні від амінових. Крім того, матеріал може бути об'єднаний з іншими зшиваними полімерами або олігомерами, подібними до амінофункціоналізованого поліетиленгліколю, амінофункціональної акрилової смоли, алкілдіамінів і тому подібному. Переважною є присутність таких сполук в кількості, меншій ніж 40 % (мас.), переважно меншій ніж 20 % (мас.), від смоли. У даній заявці % або % (мас.) визначають як суху масу в заявлених композиції або смолі. Для певних сфер застосування бажано мати композицію розкладаною, переважно біорозкладаною. Переважно, щоб у смоли, яка містить білковий матеріал, було б 0,04-8,3 мекв. реакційноздатних груп на один грам смоли, переважно 0,1-2,0 мекв./г реакційно-здатних груп. У одному переважному варіанті здійснення винаходу фермент, що використовується для зшивання, являє собою трансглутаміназу (ЄС 2.3.2.13). Даний фермент каталізує ацильне перегрупування γ-карбоксильної групи глутамінового залишку і ε-аміногрупи лізинового залишку. У доповнення до ε-аміногруп з лізину також можна використовувати і первинні амінофункціональні групи. Тому в комбінації з білковим матеріалом можуть бути використані біабо мультифункціональні сполуки, що мають первинні аміногрупи (з джерел синтетичного, сільськогосподарського або природного походження). У даному варіанті здійснення білковий матеріал включає амінокислоти лізин і глутамін. Фермент трансглутаміназа добре відомий в харчовій промисловості, де його використовують для зшивання м'якої їжі, подібної до рибних або м'ясних продуктів (торгове найменування, наприклад, Activa WM, Ajinomoto Inc., Japan). Трансглутаміназа також може бути отримана по методиках отримання рекомбінантної ДНК. Наприклад, прийнятне джерело являє собою Трансглутаміназу від компанії Bacillus, яка є Са2+незалежною, що описується в публікації ЕР0726317, яка за допомогою посилання включається в даний документ. Для ковалентного зшивання білків може бути використано декілька інших ферментів. Прийнятні системи включають (i) протеїндисульфідизомеразу (ЄС 5.3.4.1), яка каталізує відновлення дисульфідних груп до отримання реакційно-здатних сульфгідрильних залишків з подальшим окисненням; (ii) сульфгідрилоксидазу (ЄС 1.8.3.2) або тіолоксидазу, які сприяють протіканню реакції окиснення, що описувалася в даному документі вище; (iii) поліфенолоксидазу (ЄС 1.14.18.1; також відому, наприклад, як катехолоксидаза, тирозиноксидаза, фенолоксидаза), яка каталізує окиснення фенолів до отримання ортодифенолів, а згодом орто-дихінонів; дихінони вступають в реакцію з сульфгідрильними групами або з аміногрупами з утворенням білкових зшивань; (iv) лізилоксидазу (ЄС 1.4.3.13) або лізилпротеїн-6-оксидазу, яка являє собою фермент, який зшиває колаген або еластин, і вона каталізує окиснювальне деамінування лізину до отримання напівальдегіду, який вступає в реакцію з іншими амінокислотами; і (v) пероксидазу (ЄС 1.11.1.7), яка в результаті наявності активності по гідроксилюванню або перекисному окисненню стимулює реалізацію здатності реакційно-здатних частинок зшиватися з іншими білками. У одному переважному варіанті здійснення винаходу ферменти, що використовуються для зшивання, адаптують до переважних умов проведення реакції для передбачуваної сфери 2 UA 109111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 застосування. Наприклад, фермент може бути адаптований до демонстрації найбільшої активності при кімнатній температурі або при 50 або 80ºС. У одному додатковому переважному варіанті здійснення трансглутаміназу отримують з генетично модифікованих мікроорганізмів, дозволяючи системі функціонувати в необхідних умовах. Передбачається те, що вибрані мутації можуть привести до отримання ферментів, які здатні працювати при кімнатних температурі і тиску з підвищеною специфічною активністю; таким чином, можлива самотверднуча система. Наповнювач в композитному матеріалі винаходу може варіюватися в широких межах. Прийнятні наповнювачі включають волокна, частинки або листи. Волокна, частинки або листи можуть мати органічну або неорганічну природу. Прийнятні наповнювачі являють собою пісок, глину, пігменти, деревне борошно, деревні волокна, скловолокно, кам'яне волокно, листи фанери, листи нетканого паперу або повсті і тому подібне. У одному переважному варіанті здійснення наповнювачем є неорганічний наповнювач і/або деревина. Деякі наповнювачі можуть містити білковий матеріал. Розмір компонентів наповнювача може варіюватися. Наприклад, може бути використаний формувальний пісок, що має приблизний розмір, який дорівнює, щонайменше приблизно 0,5 мм. У одному додатковому варіанті здійснення може бути використана мінеральна (скляна або кам'яна) вата, при цьому волокна характеризуються величиною діаметра, більшою приблизно щонайменше ніж 0,3 мм, і декількома сантиметрами в довжину. У одному переважному варіанті здійснення винаходу використовують неорганічний наповнювач. Переважно середній розмір частинок (згідно з вимірюванням при просіюванні) становить приблизно 0,1 мм і більше, більш переважно приблизно 0,3 мм і більше. У загальному випадку розмір частинок буде становити приблизно 5 мм і менше, переважно приблизно 1 мм і менше. У одному додатковому переважному варіанті здійснення використовують деревні волокна. Використовувані деревні волокна переважно характеризуються розмірами частинок, де 70 % частинок є більшими ніж 1,0 мм. Залежно від галузі застосування, таких як отримання деревностружкової плити, частинки можуть бути набагато більшими. Розміри деревних волокон або деревних стружок можуть дійти щонайменше до 10 см або навіть аж до 20 см. У загальному випадку наповнювач буде містити кількість білка, що дорівнює приблизно 20 % (мас.) і менше, а переважно приблизно 10 % (мас.) і менше і навіть приблизно 5 % (мас.) і менше (з розрахунку на суху масу наповнювача). Крім того, необхідно розуміти те, що відповідно до звичайних методик отримання білка продукт, що виходить в результаті, містить менше ніж 10 % крохмалю. Наприклад, певну кількість білкового матеріалу може містити деревина. Крім того, фахівець у відповідній галузі техніки повинен розуміти те, що в контексті даної заявки деревина не вважається крохмалем. Однак, білковий матеріал наповнювача - у випадку наявності такої - не буде чинити значного впливу на зшивання смоли внаслідок малості його кількості. Кількість смоли, що містить білковий матеріал, в композитному матеріалі може варіюватися, а переважно знаходитися в діапазоні від 0,01 до 50 % (мас.). Більш переважно кількість білкового матеріалу становить 30 % і менше, а ще більш переважно 10 % (мас.) і менше. Переважно кількість білкового матеріалу становить 0,1 % (мас.) і більше. У одному варіанті здійснення по суті вся смола являє собою білковий матеріал. У ще одному варіанті здійснення білковий матеріал складають більше ніж 50 % (мас.), від смоли, переважно більше ніж 80 % (мас.). У одному варіанті здійснення по суті весь білковий матеріал складається з білків і/або поліпептидів. У ще одному варіанті здійснення з білків і/або поліпептидів складається приблизно 5 % (мас.) білкового матеріалу, переважно більше ніж 10 % (мас.), а більш переважно більше ніж 30 % (мас.). Відносна кількість компонентів в білковому матеріалі крім білків і/або поліпептидів не є настільки вже важливою, оскільки вони відіграють роль просто розріджувача (якщо не є реакційно-здатними). Важливо мати зшивання між реакційно-здатними компонентами при кількості реакційно-здатних груп, переважно тій, що визначена вище. Ферментативна активність переважно знаходиться в діапазоні від 0,5 до 50 одиниць на один грам білкового матеріалу. Більш переважно ферментативна активність знаходиться в діапазоні від 1 до 25 одиниць на один грам білкового матеріалу. Таким чином, кількість ферменту може бути меншою, ніж 1 % (мас.), або навіть меншою, ніж 0,1 % (мас.). У загальному випадку фермент розбавляють до певної стандартної активності, і необхідно розуміти те, що у випадку використання композиції ферментів, що демонструє високу активність, може бути використана менша кількість даної композиції, і навпаки. 3 UA 109111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Кінетику ферментативного зшивання можуть визначати активність ферменту, концентрація ферменту, температура, значення рН, контроль буфером, іонна сила і інгібування прийнятним хімічним реагентом. Ферментативну активність також можна дезактивувати в результаті нагрівання, зміни значення рН або використання інших інгібіторів. Завдяки цьому можна отримати матеріал, який демонструє наявність градієнта механічних властивостей, таких як межа міцності при стисненні, межа міцності при розтягненні, межа міцності при згині і межа міцності при зсуві і тому подібне. Кількість наповнювача може варіюватися і переважно знаходитися в діапазоні від 50 до 99,99 %. Більш переважно кількість наповнювача становить приблизно 70 % (мас.) і більше, а ще більш переважно приблизно 85 % (мас.) і більше. Найбільш переважно використовувана кількість становить приблизно 90 % (мас.) і більше. Переважно кількість наповнювача становить 99,9 % і менше. З урахуванням великої кількості наповнювача зшивана смола головним чином виконує функцію зв'язуючого, але - залежно від кількості і типу наповнювача - смола не буде заповнювати всі пустоти між наповнювачем. Крім того, смола може бути використана як зв'язуюче або клей для листів деревини і тому подібного. У одному переважному варіанті здійснення нову зшивану систему використовують для ливарних форм. У зв'язку з сучасними широко поширеними зв'язуючими для ливарної маси виникає множина проблем, пов'язаних з охороною здоров'я, безпекою і захистом навколишнього середовища. Наприклад, відомі формувальні смоли для виготовлення ливарних форм в гарячих ящиках і оболонкового лиття можуть приводити до появи значних виділень і запаху формальдегіду; в той час як самотверднучі смоли на основі фурфурилового спирту постачаються на фоні зростаючих критики і суспільного обговорення. Система, що відповідає даному винаходу, обходить дані проблеми, оскільки система може базуватися на біологічних матеріалах, які використовують за способом, що виключає виділення небезпечних хімічних реагентів. У подальшому викладі описуються декілька сфер застосування на прикладі ливарних форм. Однак, як повинен розуміти фахівець у відповідній галузі техніки, технологія, що описується, може бути використана і для інших неорганічних або органічних волокон, частинок, листа і тому подібного. Додавання ферменту може бути проведене по декількох способах, що включають (i) отримання попередньої суміші з розчину білка/пептиду і ферменту (в сухому вигляді або в розчині) перед перемішуванням з піском; (ii) отримання попередньої суміші з піску і розчину білка/пептиду, до якої при додатковому перемішуванні додають фермент (в сухому вигляді або в розчині); (iii) отримання попередньої суміші з піску і ферменту (в сухому вигляді або в розчині), до якої при додатковому перемішуванні додають розчин білка/пептиду. Крім того, пісок може бути утилізований в результаті видалення зшитого білка після промивання буферним розчином, що містить протеазу. У одному переважному варіанті здійснення винаходу білковий розчин використовують для нанесення покриття або часткового покриття на неорганічні або органічні волокна, частинки або листи. Білковий розчин висушують, і продукт можна зберігати, формувати або піддавати іншим маніпуляціям для подальшого використання. На стадії, що йде далі, переважно формований продукт піддають повторному зволоженню і в той же самий час або згодом додають фермент таким чином, щоб стимулювати зшивання. У ще одному переважному варіанті здійснення свіжоотриманий білковий розчин, що містить фермент, перемішують з неорганічними або органічними волокнами, частинками або листом і швидко висушують для виключення істотного проходження реакції між ферментом і білком. Продукт, що виходить в результаті, можна зберігати, формувати або піддавати іншим маніпуляціям для подальшого використання. На наступній далі стадії переважно формований продукт піддають повторному зволоженню таким чином, щоб стимулювати зшивання. Після додавання ферменту буде мати місце період росту ланцюга. Спочатку це буде передбачати "час переробки", коли наповнювач можна формувати, після чого йде "час витягання", коли для формованого продукту не можна створювати яких-небудь збурень, що забезпечує досягнення зв'язуючим надійної міцності, що забезпечує зручність в поводженні. а) Білкова композиція плюс додавання ферменту з зневодненням і повторним зволоженням. У даному варіанті здійснення білковий розчин, що включає як матеріал білкової основи, так і зшиваючий фермент, перемішують з піском, а після цього швидко висушують при одночасному перемішуванні по способу, подібному до нанесення новолакового покриття на пісок. Після цього пісок, що виходить в результаті, з нанесеним покриттям можна транспортувати в ливарний цех і зберігати для використання по мірі потреби. Потім пісок з нанесеним покриттям піддають повторному зволоженню/сольватуванню водою або обробці розчином, що містить сіль або 4 UA 109111 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 буфер, або сумішшю вода/розчинник (приклади розчинників включають: спирти, гліцерин, складні ефіри і складні алкоксіефіри) або сумішшю органічних розчинників; в такій мірі, щоб забезпечити досягнення адгезії і проходження реакції зшивання при забиванні або трамбуванні в форму або стрижневий ящик, а після цього впливу прийнятного способу висушування або зневоднення. Такий спосіб висушування може бути аналогічний способу виготовлення ливарних форм в гарячих ящиках або способу оболонкового лиття, вже відомому на сучасному рівні техніки. У альтернативному варіанті, до тверднення зв'язуючого в результаті зневоднення міг би в результаті привести вакуум при використанні або без використання нагрівання. Одна перевага даної системи в зіставленні з сучасною системою новолак/гексаамін полягає у відсутності виділень формальдегіду. b) Повторне зволоження + фермент з подальшими зшиванням/і можливо зневодненням. Даний спосіб може бути використаний відповідно до опису в попередньому абзаці, і білковий розчин (за відсутності зшиваючого ферменту) перемішують з піском, а після цього висушують при одночасному перемішуванні. Знову-таки, пісок, що виходить в результаті, з нанесеним покриттям можна транспортувати в ливарний цех і зберігати для використання по мірі потреби. Після цього пісок з нанесеним покриттям піддають повторному зволоженню/сольватуванню водою, обробці сумішшю вода/розчинник (приклади розчинників включають: спирти, гліцерин, складні ефіри і складні алкоксіефіри) або сумішшю органічних розчинників. Сюди ж і за допомогою змішувача для формувального піску проводять завантаження активного ферменту з перемішуванням. Дане завантаження може являти собою або сухий порошок, або фермент в розчині. Даний фермент може, наприклад, зшивати специфічні амінофункціональні групи на білковому або пептидному ланцюгах, що в результаті приводить до отримання протяжної зшитої білкової сітки. с) Додавання ферменту з подальшими зшиванням/і можливо зневодненням. За способом, аналогічним тому, що і описувався вище, по місцю ливарного цеху з піском може бути перемішаний малов'язкий (