生物可降解塑料的生產(chǎn)與應(yīng)用

1、 從中長(zhǎng)期發(fā)展來看， 可從源頭解決“白 色污染”問題的可 生物降解塑料，將 會(huì)越來越受到重視。 與傳統(tǒng)的化學(xué)合成高分子材料相比，采用 生物，特別是微生物合成的高聚物具有的 特點(diǎn)如下： 工藝方法簡(jiǎn)單； 幾乎無環(huán)境污染； 產(chǎn)品具有生物可降解性和生物相容性； 可進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控。 在眾多生物可降解材料中，采用生物發(fā)酵 法生產(chǎn)的聚-羥基烷酸 （PHAs）是應(yīng)用環(huán) 境生物學(xué)方面的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 其中，聚-羥基丁酸（PHB）及3-羥基丁酸 （3-HB）與3-羥基戊酸（3-HV）的共聚物 （PHBV）是研究和應(yīng)用最廣泛的兩種多聚 體。 R為取代基： 當(dāng)R=甲基時(shí)，單體為-羥基丁酸（HB）； 當(dāng)R=乙基時(shí)，單體為

2、-羥基戊酸（HB）； 所有的組成單位僅以R構(gòu)型存在； 多聚物的物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能（韌性、 脆性、熔點(diǎn)等等）與單體的組成有極大的 關(guān)系。 PHBV中-羥基戊酸組分的增加可使熔點(diǎn)從 180降低至75 ； PHB的性質(zhì)與聚丙烯（PP）很相似，它的 工業(yè)化應(yīng)用主要存在兩個(gè)缺點(diǎn)： 熔化穩(wěn)定性較差 熔點(diǎn)175 ，分解溫度200 解決辦法：加入3-HV前體合成PHBV或 與其他共聚物混合。 易發(fā)脆 解決辦法：淬火處理 二、PHAs的生物合成 （一）主要微生物 能產(chǎn)生PHAs的微生物很多，包括光能和 化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌。 研究較多的有：產(chǎn)檢桿菌屬、固氮菌屬、 甲基營(yíng)養(yǎng)菌、紅螺菌屬等。它們能分別利 用不同的碳

3、源產(chǎn)生不同的PHAs。 作為生產(chǎn)PHAs的商業(yè)用途菌株，應(yīng)該具備： 可利用廉價(jià)碳源 生長(zhǎng)速度快 對(duì)底物轉(zhuǎn)化率高 胞內(nèi)聚合物含量高 聚合物分子量大 固氮菌和甲基營(yíng)養(yǎng)菌廢蜜糖和甲醇原 料前者PHB產(chǎn)量低，后者PHB分子量 小被淘汰。 研究較多的：真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌&基因重組的 大腸桿菌。 提高對(duì)多種原料的利用能力和轉(zhuǎn)化 率、提高聚合物胞內(nèi)含量以及改變細(xì)胞特 性以利于提取等。 （二）合成途徑及關(guān)鍵酶 合成原因： 碳源過量，其他某種營(yíng)養(yǎng)成分（N、P、K、 Mg、O或S）不足時(shí)，PHAs大量貯存。 合成途徑： 以合成PHB為例 可分為三步合成途徑和五步合成途徑 第一步： -酮硫裂解酶催化乙酰 CoA生成乙酰乙

4、酰 CoA； 第二步： 乙酰乙酰CoA被還原成 D-(-)-3-羥基丁酰CoA； 第三步： PHB聚合酶催化合成PHB 乙酰乙酰CoA 乙酰乙酰CoA還原酶 L（+）-3-羥丁酰CoA 烯酰基CoA水合酶 丁烯酰CoA 烯?；鵆oA水合酶 D（-）-3-羥丁酰CoA 三、PHAs的生產(chǎn)工藝 PHAs只在細(xì)胞內(nèi)積累，要實(shí)現(xiàn)其最大生產(chǎn)，必 須做到： 盡可能提高細(xì)胞密度 保證高的胞內(nèi)積累量 縮短發(fā)酵周期以提高生產(chǎn)強(qiáng)度 兩階段控制： 第一階段：菌體生長(zhǎng)； 第二階段：多聚物形成。 目前，在PHAs發(fā)酵中應(yīng)用最多的是流加培 養(yǎng)法 逐步添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 目前，尚有幾個(gè)關(guān)鍵問題有待解決： 菌種對(duì)丙酸的轉(zhuǎn)化率低； 定向育種&基因工程 聚合物分子質(zhì)量分布范圍較寬，且不易控 制； 流加發(fā)酵技術(shù) 性能與化工合成塑料相比，尚有較大差距。 聚合物分子設(shè)計(jì)、修飾和共混加工技術(shù) （二）合成途徑及關(guān)鍵酶 合成原因： 碳源過量，其他某種營(yíng)養(yǎng)成分（N、P、K、 Mg、O或S）不足時(shí)，PHAs大量貯存。 合成途徑： 以合成PHB為例 可分為三步合成途徑和五步合成途徑 第一步： -酮硫裂解酶催