第9章 生物可降解材料-09-2014

1、LOGO生物可降解材料生物可降解材料2022-5-3無機生物材料Contents生物降解材料概況生物降解材料概況1生物降解材料的種類與性能生物降解材料的種類與性能2生物降解材料的降解機理生物降解材料的降解機理3生物降解材料的應(yīng)用范圍生物降解材料的應(yīng)用范圍4面臨的問題和解決辦法面臨的問題和解決辦法6生物降解材料發(fā)展趨勢生物降解材料發(fā)展趨勢522022-5-3無機生物材料生物降解材料概況生物降解材料概況 生物降解材料是20世紀(jì)80年代后隨著環(huán)境、能源等矛盾的凸顯而發(fā)展起來的新型材料，作為一種可自然降解的材料，在環(huán)保方面起到了獨特的作用，其研究和開發(fā)已得到迅速發(fā)展，作為解決“白色污染”最為有效的途徑

2、，已引起環(huán)境專家、材料學(xué)家及更多領(lǐng)域人士的關(guān)注。 據(jù)美國ASTM（材料和實驗協(xié)會）定義：生物降解材料是在細(xì)菌、真菌、藻類等自然界存在的微生物作用下能發(fā)生化學(xué)、生物或物理作用而降解或酶解的高分子材料。32022-5-3無機生物材料生物降解材料的種類與性能生物降解材料的種類與性能主要包括聚-羥基丁酸酯(PHB)、聚羥基戊酸酯等，它們同屬于聚羥基烷酸酯(PHA)。其中，聚羥基丁酸是低毒材料，目前已被用于藥物控釋、縫合線和人工皮膚等。大多是在分子結(jié)構(gòu)中引入酯基的脂肪族聚酯，其制備方法主要包括縮合聚合和開環(huán)聚合。由生物體內(nèi)提取或自然環(huán)境中直接得到的一類大分子，具有良好的生物相容性和可降解性，但機械性能較

3、差。天然高分天然高分子可降解子可降解材料材料微生物合微生物合成的可降成的可降解材料解材料人工合成人工合成可降解材可降解材料料4但高分子量的聚酯，只能通過開但高分子量的聚酯，只能通過開環(huán)聚合方法合成，因為縮聚反應(yīng)環(huán)聚合方法合成，因為縮聚反應(yīng)受反應(yīng)程度和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的受反應(yīng)程度和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水的影響，很難獲得高分子量的水的影響，很難獲得高分子量的產(chǎn)物。目前已開發(fā)的主要產(chǎn)品有產(chǎn)物。目前已開發(fā)的主要產(chǎn)品有聚乳酸聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乙醇酸、聚乙醇酸(PGA)、聚、聚乙醇酸交酯、聚丙醇酸交酯、聚乙醇酸交酯、聚丙醇酸交酯、聚琥珀酸丁二酯琥珀酸丁二酯(PBS)等。等。按照結(jié)

4、構(gòu)與組成，可分為天按照結(jié)構(gòu)與組成，可分為天然蛋白質(zhì)、多糖及其衍生物，然蛋白質(zhì)、多糖及其衍生物，此外還包括一些生物合成聚此外還包括一些生物合成聚酯。典型的蛋白類、多糖類酯。典型的蛋白類、多糖類物質(zhì)及其衍生物有膠原、膠、物質(zhì)及其衍生物有膠原、膠、環(huán)糊精、淀粉、葡聚糖、殼環(huán)糊精、淀粉、葡聚糖、殼殼糖、透明質(zhì)酸、纖維素、殼糖、透明質(zhì)酸、纖維素、海藻酸衍生物、硫酸軟骨素海藻酸衍生物、硫酸軟骨素和肝素等。和肝素等。2022-5-3無機生物材料生物降解材料的可降解機理生物降解材料的可降解機理由于生物細(xì)胞由于生物細(xì)胞增長而使聚合增長而使聚合物組分水解、物組分水解、電離或質(zhì)子化電離或質(zhì)子化而發(fā)生機械性而發(fā)生機械

5、性破壞，分裂成破壞，分裂成低聚物碎片低聚物碎片微生物侵蝕導(dǎo)微生物侵蝕導(dǎo)致材料分裂致材料分裂或氧化崩裂或氧化崩裂微生物對聚合微生物對聚合物作用而產(chǎn)生物作用而產(chǎn)生新物質(zhì)新物質(zhì)(CH4，CO2和和 H2O)生物降解材料的生物降解，是指生物降解材生物降解材料的生物降解，是指生物降解材料在生物作用下發(fā)生降解、同化的過程。發(fā)料在生物作用下發(fā)生降解、同化的過程。發(fā)揮生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉揮生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉菌或藻類，降解機理主要可分為菌或藻類，降解機理主要可分為3 3類：類：62022-5-3無機生物材料生物降解材料的應(yīng)用范圍生物降解材料的應(yīng)用范圍生物降解材料生物降解材料的應(yīng)

6、用范圍的應(yīng)用范圍環(huán)保領(lǐng)域環(huán)保領(lǐng)域水資源環(huán)境領(lǐng)域食品容器和包裝行業(yè)農(nóng)林業(yè)方面醫(yī)學(xué)領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域外科手術(shù)縫合線藥物緩釋劑骨固定材料人造皮膚72022-5-3無機生物材料 生物降解材料發(fā)展趨勢生物降解材料發(fā)展趨勢聚羥基脂聚羥基脂肪酸酯肪酸酯淀粉淀粉聚乳酸聚乳酸聚己聚己內(nèi)酯內(nèi)酯聚丁二聚丁二酸丁二酸丁二醇酯醇酯五大熱門可降五大熱門可降解材料解材料近年來比較活躍近年來比較活躍8最理想的生物可降解材料是利用可再生資源，即利用生物合成的方法得到的生物材料。這種生物材料可以被生物所重新利用，能夠降解，產(chǎn)物最好是二氧化碳和水，從而使這種材料的生產(chǎn)和使用納入自然界的循環(huán)。2022-5-3無機生物材料 生物降解材料發(fā)展

7、趨勢生物降解材料發(fā)展趨勢 淀粉及其衍生物因為生物降解性好，價格低廉而淀粉及其衍生物因為生物降解性好，價格低廉而被改性作為填充塑料的重點，并且其接枝物在很多方被改性作為填充塑料的重點，并且其接枝物在很多方面具有廣泛的應(yīng)用前景。利用植物中的淀粉、纖維素面具有廣泛的應(yīng)用前景。利用植物中的淀粉、纖維素和木質(zhì)素等，以及利用動物中的殼聚糖、氨基葡聚糖、和木質(zhì)素等，以及利用動物中的殼聚糖、氨基葡聚糖、動物膠，以及海洋生物的藻類等，可制造有價值的生動物膠，以及海洋生物的藻類等，可制造有價值的生物可降解聚合物。高含量淀粉基聚合物則可以做為完物可降解聚合物。高含量淀粉基聚合物則可以做為完全生物降解型聚合物。因而，

8、將淀粉改性后，與聚己全生物降解型聚合物。因而，將淀粉改性后，與聚己內(nèi)酯等生物合成的降解聚合物共混，以此來提高材料內(nèi)酯等生物合成的降解聚合物共混，以此來提高材料的降解性和力學(xué)性能，已經(jīng)成為當(dāng)前生物降解材料研的降解性和力學(xué)性能，已經(jīng)成為當(dāng)前生物降解材料研究的熱點之一。究的熱點之一。淀粉淀粉10淀粉應(yīng)用淀粉應(yīng)用2022-5-3無機生物材料11環(huán)保玉米淀粉牙簽環(huán)保玉米淀粉牙簽 淀粉的用途十分廣泛,可制作粘膠,塑料,食品等多種產(chǎn)品。如名菜豬肉燉粉條是用紅薯淀粉做的，龍口粉絲是用綠豆淀粉做的。淀粉牙簽一般是用玉米和綠豆的淀粉制成。 淀粉牙簽經(jīng)濟環(huán)保，能避免大量森林資源被砍伐，它是國際綠色工業(yè)浪潮的必然產(chǎn)物

9、，具有很強的市場潛力和競爭力。 生物降解材料發(fā)展趨勢生物降解材料發(fā)展趨勢 由生物合成的聚乳酸可作為天然生物材料，由生物合成的聚乳酸可作為天然生物材料，它是由生物發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸經(jīng)人工化學(xué)合成而它是由生物發(fā)酵產(chǎn)生的乳酸經(jīng)人工化學(xué)合成而得到的聚合物，但仍保持著良好的生物相容性得到的聚合物，但仍保持著良好的生物相容性和生物可降解性，具有與聚酯相似的防滲透性，和生物可降解性，具有與聚酯相似的防滲透性，同時具有與聚苯乙烯相似的光澤度、透光性和同時具有與聚苯乙烯相似的光澤度、透光性和加工性。加工性。2022-5-3無機生物材料聚乳酸聚乳酸12 減少給藥次數(shù) 和給藥量2022-5-3無機生物材料生物降解材料存

10、在的主要問題生物降解材料存在的主要問題價格昂貴，不易推廣應(yīng)用價格昂貴，不易推廣應(yīng)用加工困難，尚未完全達到實用階段加工困難，尚未完全達到實用階段降解可控、回收利用等技術(shù)不足降解可控、回收利用等技術(shù)不足尚無統(tǒng)一評價方法和標(biāo)準(zhǔn)尚無統(tǒng)一評價方法和標(biāo)準(zhǔn)人工合成，工藝復(fù)雜、性能不穩(wěn)定人工合成，工藝復(fù)雜、性能不穩(wěn)定142022-5-3無機生物材料解決辦法解決辦法1對生物降解塑料產(chǎn)品的應(yīng)用和發(fā)展采取補貼政策，包括中央政府補貼和地方政府補貼。中央財政可采用科技攻關(guān)資金、貼息等補貼方式2對利用生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物降解塑料的企業(yè)，國家考慮采用低息貸款政策、技術(shù)改造專項貸款、信用擔(dān)保政策等來鼓勵產(chǎn)業(yè)發(fā)展3為促進行業(yè)發(fā)展

11、應(yīng)制定關(guān)稅優(yōu)惠稅率。為鼓勵和扶持一些企業(yè)的發(fā)展，可以按照新的企業(yè)所得稅條例規(guī)定減免優(yōu)惠政策15生態(tài)環(huán)境材料的幾個方面生態(tài)環(huán)境材料的幾個方面 1.生物降解材料生物降解材料 2.綠色包裝材料綠色包裝材料 3.仿生材料仿生材料生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)環(huán)境材料v提出背景提出背景資源短缺資源短缺能源過度消耗能源過度消耗生態(tài)環(huán)境惡化生態(tài)環(huán)境惡化一、生態(tài)環(huán)境材料的定義一、生態(tài)環(huán)境材料的定義資源、能源消耗少 環(huán)境污染小再生循環(huán)利用率高生態(tài)環(huán)境材料是指那些生態(tài)環(huán)境材料是指那些具有良好的使用性能和具有良好的使用性能和優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性的優(yōu)良的環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料。材料。可降解化可循環(huán)利用生態(tài)環(huán)境材料生態(tài)

12、環(huán)境材料:實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以優(yōu)異環(huán)境協(xié)調(diào)性實質(zhì)上是賦予傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料、功能材料以優(yōu)異環(huán)境協(xié)調(diào)性的材料，它要求材料工作者在環(huán)境意識指導(dǎo)下，開發(fā)新型的材料，它要求材料工作者在環(huán)境意識指導(dǎo)下，開發(fā)新型材料，或改進、改造傳統(tǒng)材料。材料，或改進、改造傳統(tǒng)材料。具有良好的使用功能具有良好的使用功能 具有效高資源利用率具有效高資源利用率對生態(tài)環(huán)境無副作用對生態(tài)環(huán)境無副作用生態(tài)環(huán)境的三個重要特征生態(tài)環(huán)境的三個重要特征生態(tài)環(huán)境材料是人類主動考慮材料對生態(tài)環(huán)境的影響而開發(fā)的材料。這就涉及材料的環(huán)境負(fù)荷。材料的環(huán)境負(fù)荷就是材料在其整個壽命材料的環(huán)境負(fù)荷就是材料在其整個壽命周期中對人類的生存和生活環(huán)境

13、的影響，周期中對人類的生存和生活環(huán)境的影響，這些影響主要是指資源、能源的消耗及這些影響主要是指資源、能源的消耗及污染環(huán)境的廢棄物的排放。污染環(huán)境的廢棄物的排放。在生態(tài)環(huán)境材料的開發(fā)中，包括從設(shè)計、在生態(tài)環(huán)境材料的開發(fā)中，包括從設(shè)計、生產(chǎn)、使用、廢棄、回收各個階段，都生產(chǎn)、使用、廢棄、回收各個階段，都要考慮生態(tài)環(huán)境問題，力求降低材料的要考慮生態(tài)環(huán)境問題，力求降低材料的環(huán)境負(fù)荷。環(huán)境負(fù)荷。生態(tài)環(huán)境材料的分類生態(tài)環(huán)境材料的分類 生態(tài)環(huán)境材料的幾個方面：生態(tài)環(huán)境材料的幾個方面：v純天然材料的開發(fā)和利用純天然材料的開發(fā)和利用v環(huán)境兼容性涂層材料環(huán)境兼容性涂層材料v汽車尾氣凈化用催化劑材料汽車尾氣凈化用催

14、化劑材料v生物降解材料生物降解材料v生態(tài)建筑材料生態(tài)建筑材料v綠色包裝材料綠色包裝材料v仿生材料仿生材料v降低環(huán)境負(fù)擔(dān)性的材料加工工藝和技術(shù)降低環(huán)境負(fù)擔(dān)性的材料加工工藝和技術(shù)1.1.生物降解材料生物降解材料v降解材料：在材料中加入某些能促進降解的添加降解材料：在材料中加入某些能促進降解的添加劑制成的材料、合成本身具有降解性能的材料以劑制成的材料、合成本身具有降解性能的材料以及由生物制成采用可再生原料制成的材料。及由生物制成采用可再生原料制成的材料。v生物降解材料：材料被真菌、霉菌和細(xì)菌等作用生物降解材料：材料被真菌、霉菌和細(xì)菌等作用消化吸收的過程。消化吸收的過程。完全生物降解完全生物降解生物破

15、壞型材料生物破壞型材料生物降解材料生物降解材料 CCCC鍵不能酶解與水解，鍵不能酶解與水解，要斷鍵除非光解與氧化，要斷鍵除非光解與氧化，聚乙烯實際上只是成為聚乙烯實際上只是成為碎片留存于土壤中。碎片留存于土壤中。生物破壞型材料完全生物降解材料 多糖類天然高聚物主多糖類天然高聚物主要有要有 淀粉、纖維淀粉、纖維素、殼聚糖、木質(zhì)素、素、殼聚糖、木質(zhì)素、果膠及它們的衍物。果膠及它們的衍物。2.2.綠色包裝材料綠色包裝材料針對發(fā)展綠色包裝提出了針對發(fā)展綠色包裝提出了“ 3R1D ” 原則，原則， 即即Reduce（減量化），（減量化），Reuse（重復(fù)使用），（重復(fù)使用），Recycle （再循環(huán)）、

16、（再循環(huán)）、Degradable（可降解（可降解）。）。 食品包裝材料：食品包裝材料：殼聚糖殼聚糖v 物理特性：白色無定型、半透明、略有珍珠光澤的固體，分子量從幾物理特性：白色無定型、半透明、略有珍珠光澤的固體，分子量從幾十萬到幾百萬不等；十萬到幾百萬不等；N N一脫乙酰度和粘度是它的兩項主要性能指標(biāo)它一脫乙酰度和粘度是它的兩項主要性能指標(biāo)它們影響著殼聚糖的其他一些性質(zhì)。另外，甲殼素和殼聚糖都具有復(fù)雜們影響著殼聚糖的其他一些性質(zhì)。另外，甲殼素和殼聚糖都具有復(fù)雜雙螺旋結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)單元都是二糖。雙螺旋結(jié)構(gòu)，它們的結(jié)構(gòu)單元都是二糖。v 化學(xué)特性：殼聚糖分子鏈的糖殘基上既有羥基，又有氨基，因此，酰

17、化學(xué)特性：殼聚糖分子鏈的糖殘基上既有羥基，又有氨基，因此，酰化反應(yīng)既可以在羥基上發(fā)生，生成酯，也可以在氨基上發(fā)生反應(yīng)，生化反應(yīng)既可以在羥基上發(fā)生，生成酯，也可以在氨基上發(fā)生反應(yīng)，生成酰胺；殼聚糖可與多種有機酸的衍生物如酸酐、酰鹵等反應(yīng)，導(dǎo)入成酰胺；殼聚糖可與多種有機酸的衍生物如酸酐、酰鹵等反應(yīng)，導(dǎo)入不同分子量的脂肪族或芳香族?；?。不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。3.3.仿生材料仿生材料 仿生材料：人工制造的具有生物功能、生物活性或者與生物體相容的仿生材料：人工制造的具有生物功能、生物活性或者與生物體相容的材料。材料。仿生物材料在生物兼容性的基礎(chǔ)上，從材料的制備到應(yīng)用都與仿生物材料在生物兼容性的

18、基礎(chǔ)上，從材料的制備到應(yīng)用都與環(huán)境、人體有著自然的協(xié)調(diào)性。環(huán)境、人體有著自然的協(xié)調(diào)性。 組織工程材料：用于取代某些生物體組織器官或恢復(fù)、維組織工程材料：用于取代某些生物體組織器官或恢復(fù)、維持以及改善其功能的一類仿生物材料。常見的組織工程材持以及改善其功能的一類仿生物材料。常見的組織工程材料包括組織引導(dǎo)材料、組織誘導(dǎo)材料、組織隔離材料、組料包括組織引導(dǎo)材料、組織誘導(dǎo)材料、組織隔離材料、組織修復(fù)材料和組織替換材料等?？椥迯?fù)材料和組織替換材料等。仿生智能材料：指能模仿生命系統(tǒng)，同時具有感知和驅(qū)動仿生智能材料：指能模仿生命系統(tǒng)，同時具有感知和驅(qū)動雙重功能的材料。雙重功能的材料。 定義：定義： 生物質(zhì)材

19、料，是用木材、竹材、棉、麻及農(nóng)業(yè)剩余物等天然植物纖維，與各種來源于植物資源、且可生物降解的生物塑料，如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己內(nèi)酰胺(PCL)等，通過共混、擠出、熱壓、注塑等工藝，制備的生物質(zhì)復(fù)合材料，是一種環(huán)境完全友好的生物質(zhì)復(fù)合材料。 二、生物質(zhì)材料概述二、生物質(zhì)材料概述LOGO29可降解塑料的生物合成可降解塑料的生物合成第一節(jié)第一節(jié) 可降解塑料概述可降解塑料概述第二節(jié)第二節(jié) PHAs的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用30第一節(jié)第一節(jié) 塑料廢物污染和可降解塑料塑料廢物污染和可降解塑料v 二十世紀(jì)七十年代以來塑料工業(yè)得到迅猛的發(fā)展，無論是二十世紀(jì)七

20、十年代以來塑料工業(yè)得到迅猛的發(fā)展，無論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)，還是人們的日常生活無不與塑料密工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)，還是人們的日常生活無不與塑料密切相關(guān)。切相關(guān)。v 化學(xué)合成塑料在自然環(huán)境中很難分解，亦不會被腐蝕，燃化學(xué)合成塑料在自然環(huán)境中很難分解，亦不會被腐蝕，燃燒處理又會產(chǎn)生有害氣體，塑料垃圾對環(huán)境造成了巨大的燒處理又會產(chǎn)生有害氣體，塑料垃圾對環(huán)境造成了巨大的危害。危害。31普通塑料對環(huán)境污染的特點普通塑料對環(huán)境污染的特點成分為合成樹脂成分為合成樹脂(1)污染范圍廣污染范圍廣(2)污染物增長量快。污染物增長量快。 全世界每年對塑料的需求量為1億噸。 美國專家估計每10年產(chǎn)量將增加1倍。 1995

21、年我國的塑料需求量為600萬噸，其中對環(huán)境有威脅的地膜為88萬噸，包裝用品為150-200萬噸。 美國、日本的塑料垃圾占垃圾總量的7%。32普通塑料對環(huán)境污染的特點普通塑料對環(huán)境污染的特點-續(xù)續(xù)(3) 處理難。塑料具有耐酸堿、抗氧化、難腐蝕、難降解處理難。塑料具有耐酸堿、抗氧化、難腐蝕、難降解的特性，埋地處理百年不爛；燃燒時產(chǎn)生大量有毒氣體的特性，埋地處理百年不爛；燃燒時產(chǎn)生大量有毒氣體，如，如HCl、SOx、CO等。等。33普通塑料對環(huán)境污染的特點普通塑料對環(huán)境污染的特點(4)回收利用難。塑料制品種類多，填料、顏料多樣，難以回收利用難。塑料制品種類多，填料、顏料多樣，難以分揀回收再利用。分揀

22、回收再利用。(5)生態(tài)環(huán)境危害大。地膜降低耕地質(zhì)量，農(nóng)作物植株矮小生態(tài)環(huán)境危害大。地膜降低耕地質(zhì)量，農(nóng)作物植株矮小，抗病力差。，抗病力差。34v 研究和開發(fā)生物可降解塑料已迫在眉捷研究和開發(fā)生物可降解塑料已迫在眉捷v 用可生物降解塑料代替部分石油化工合成塑料，禁用用可生物降解塑料代替部分石油化工合成塑料，禁用某些塑料制品某些塑料制品 如意大利已立法規(guī)定自1991年起所有包裝用塑料都必須生物可降解，我國也已開始考慮禁用塑料方便餐盒等不可降解的塑料制品。生物可降解塑料生物可降解塑料35國內(nèi)外出現(xiàn)的生物可降解塑料PCL-聚已內(nèi)酰胺聚已內(nèi)酰胺;PVA-聚乙烯醇聚乙烯醇;PE-聚乙烯聚乙烯36生物可降解

23、塑料的特點生物可降解塑料的特點v工藝簡單工藝簡單v生產(chǎn)過程污染輕生產(chǎn)過程污染輕v生物可降解性和生物可相容性生物可降解性和生物可相容性v可進行高分子材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整：控制營養(yǎng)、環(huán)境可進行高分子材料的結(jié)構(gòu)調(diào)整：控制營養(yǎng)、環(huán)境條件條件37第二節(jié)、第二節(jié)、PHAs的生物合成與應(yīng)用的生物合成與應(yīng)用v 采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的聚采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的聚-羥基烷酸羥基烷酸(簡稱簡稱PHAs)，成為，成為應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)方面的一個研究的熱點應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)方面的一個研究的熱點 聚-羥基丁酸PHB 3-羥基丁酸與3-羥基戊酸的共聚物P(3HB-co-3HV)或PHBV38vPHAs除具有高分子化合物的基本特性，如質(zhì)輕除

24、具有高分子化合物的基本特性，如質(zhì)輕、彈性、可塑性、耐磨性、抗射線等外，還具有、彈性、可塑性、耐磨性、抗射線等外，還具有生物可降解性和生物可相容性。生物可降解性和生物可相容性。PHAs(聚聚-羥基烷酸羥基烷酸)香波瓶100年個月合成塑料PHAs原料原料降降解解39一、一、PHAs的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用v 多種微生物在一定條件下能在胞內(nèi)積累多種微生物在一定條件下能在胞內(nèi)積累PHAs(聚聚-羥羥基烷酸基烷酸)作為碳源和能源的貯存物。作為碳源和能源的貯存物。v 由于由于PHAs具有低溶解性和高分子量，它在胞內(nèi)的積累具有低溶解性和高分子量，它在胞內(nèi)的積累不會引起滲透壓的增加

25、，是理想的胞內(nèi)貯藏物，比糖原不會引起滲透壓的增加，是理想的胞內(nèi)貯藏物，比糖原、多聚磷酸或脂肪更加普遍地存在于微生物中。、多聚磷酸或脂肪更加普遍地存在于微生物中。v PHAs的通式可寫成：的通式可寫成：2_ _ _ _ _RC_On_ _OCH CH單體數(shù)目40v 每個每個PHAs顆粒含有數(shù)千條多聚體鏈。這些多聚物的顆粒含有數(shù)千條多聚體鏈。這些多聚物的物理化學(xué)性質(zhì)和機械性能如韌度、脆性、溶點、玻璃物理化學(xué)性質(zhì)和機械性能如韌度、脆性、溶點、玻璃態(tài)溫度和抗溶劑性等與單體的組成有極大的關(guān)系。態(tài)溫度和抗溶劑性等與單體的組成有極大的關(guān)系。 例如PHBV共聚物中羥基戊酸組分的增加可使熔點從180(PHB均聚

26、物)降至75(PHBV共聚物中HV組分的摩爾分?jǐn)?shù)為3040%) 。PHAs (聚-羥基烷酸)的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)41v 大多數(shù)有關(guān)細(xì)菌大多數(shù)有關(guān)細(xì)菌PHAs的物化性質(zhì)的研究是針對的物化性質(zhì)的研究是針對PHB和和PHBV兩種聚合物進行的。兩種聚合物進行的。v PHB是高度結(jié)晶的晶體，結(jié)晶度的范圍在是高度結(jié)晶的晶體，結(jié)晶度的范圍在5580%，其在物理性質(zhì)甚至分子結(jié)構(gòu)上與聚丙烯，其在物理性質(zhì)甚至分子結(jié)構(gòu)上與聚丙烯(PP)很相似很相似，例如熔點、玻璃態(tài)溫度、結(jié)晶度、抗張強度等，而，例如熔點、玻璃態(tài)溫度、結(jié)晶度、抗張強度等，而比重大、透氧率低和抗紫外線照射以及具有光學(xué)活性比重大、透氧率低和抗紫外線照射以

27、及具有光學(xué)活性、阻濕性等則是、阻濕性等則是PHB的優(yōu)點，見表的優(yōu)點，見表7-2-1。PHAs (聚-羥基烷酸)的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)-續(xù)4243PHB的工業(yè)化應(yīng)用主要存在兩個缺點的工業(yè)化應(yīng)用主要存在兩個缺點v PHB較差的熔化穩(wěn)定性，其分解溫度約為較差的熔化穩(wěn)定性，其分解溫度約為200 ，該溫度與其熔點相近該溫度與其熔點相近(約約175 )； 可通過在發(fā)酵過程中加入3HV的前體合成PHBV共聚體或?qū)HB與其它多聚物相混合使用來解決；v 在環(huán)境條件下貯存數(shù)日后，在環(huán)境條件下貯存數(shù)日后，PHB易發(fā)脆。易發(fā)脆。 PHB的老化問題可通過簡單的淬火處理來較大程度地解決。44PHAs的應(yīng)用的應(yīng)用shamp

28、oo bottles bicycle helmet 45二、二、PHAs的生物合成的生物合成v合成合成PHAs的主要微生物的主要微生物v合成合成PHAs的主要基質(zhì)的主要基質(zhì)vPHAs的代謝途徑與調(diào)控的代謝途徑與調(diào)控46PHAsPHAs的生物合成的生物合成一一 合成合成PHAs的主要微生物的主要微生物1 PHAs的發(fā)現(xiàn)及形成機制的發(fā)現(xiàn)及形成機制 PHB最初由最初由 Lemoigne于于1925年首先發(fā)現(xiàn)。從年首先發(fā)現(xiàn)。從巨大芽孢桿菌巨大芽孢桿菌（Bacillus megaterium)分離鑒定。分離鑒定。闡明該菌闡明該菌形成芽孢時產(chǎn)生形成芽孢時產(chǎn)生PHB。 20世紀(jì)世紀(jì)50年代，發(fā)現(xiàn)年代，發(fā)現(xiàn)P

29、HB的生成量的生成量隨培養(yǎng)基中隨培養(yǎng)基中碳氮比的增加而增加碳氮比的增加而增加47v 能產(chǎn)生能產(chǎn)生PHAs的微生物分布極廣，包括光能和化能自養(yǎng)的微生物分布極廣，包括光能和化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌計及異養(yǎng)菌計65個屬中的近個屬中的近300種微生物。種微生物。v 目前研究的較多的微生物：目前研究的較多的微生物： 產(chǎn)堿桿菌屬(Alcaligenes europhus, 現(xiàn)在更名為Ralstonia eutropha) 假單胞菌屬(Pseudonomas) 甲基營養(yǎng)菌(Methylotrophs) 固氮菌屬(Azotobacter) 紅螺菌屬(Rhodospirilum)（一）合成PHAs的主要微生物48表表7

30、-4 各種微生物利用不同碳源合成各種微生物利用不同碳源合成PHVs的情況及水平比較的情況及水平比較 49選擇工業(yè)生產(chǎn)選擇工業(yè)生產(chǎn)PHAs的菌種考慮的因素：的菌種考慮的因素：能利用廉價碳源的能力能利用廉價碳源的能力生長速率問題生長速率問題多聚物合成速率多聚物合成速率在細(xì)胞內(nèi)最大量積累多聚物的能力在細(xì)胞內(nèi)最大量積累多聚物的能力50英國英國ICI公司進行考察，發(fā)現(xiàn)公司進行考察，發(fā)現(xiàn)：固氮菌固氮菌：產(chǎn)生多糖，：產(chǎn)生多糖，PHB的比產(chǎn)率降低，技術(shù)問題。的比產(chǎn)率降低，技術(shù)問題。甲基營養(yǎng)菌甲基營養(yǎng)菌：PHB產(chǎn)率中等。產(chǎn)率中等。真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌：生長快，易培養(yǎng)、胞內(nèi)：生長快，易培養(yǎng)、胞內(nèi)PHB含量高、

31、含量高、聚合物分子量大并能利用各種較經(jīng)濟的能源。聚合物分子量大并能利用各種較經(jīng)濟的能源。最終選擇了最終選擇了 真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌（真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌（A . eutrophus）ICIImperial Chemical Industries帝國化學(xué)工業(yè)公司帝國化學(xué)工業(yè)公司51v 真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌(Ralstonia eutropha)為革蘭氏陰性的為革蘭氏陰性的兼性化能自養(yǎng)型細(xì)菌兼性化能自養(yǎng)型細(xì)菌 積累PHB可達細(xì)胞干重的90%以上 能利用糖加丙酸或戊酸產(chǎn)生P(3HB-co-3HV) 改變基質(zhì)該菌還能將4HB和5HV結(jié)合到3HB的結(jié)構(gòu)中去，形成4HB或5HV單體與3HB的共聚物。v 采用帶有真養(yǎng)產(chǎn)

32、堿桿菌采用帶有真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌PHB合成基因的重組大腸桿菌合成基因的重組大腸桿菌(E.coli) 。工業(yè)化生產(chǎn)PHAs的微生物52帶有帶有A.eutrophus PHB合成基因的重組合成基因的重組E.coli 成為新的選擇成為新的選擇！A.eutrophus重組重組E.coli1 生長快，容易培養(yǎng)（培養(yǎng)條件簡單）生長快，容易培養(yǎng)（培養(yǎng)條件簡單）2 胞內(nèi)聚合物含量高胞內(nèi)聚合物含量高3 聚合物分子量大聚合物分子量大4 提取相對較困難提取相對較困難5 生產(chǎn)共聚物較容易，易調(diào)節(jié)共聚比生產(chǎn)共聚物較容易，易調(diào)節(jié)共聚比6 分子量分布控制較難分子量分布控制較難7 已有工業(yè)化產(chǎn)品已有工業(yè)化產(chǎn)品1 發(fā)酵周期短發(fā)酵周期

33、短2 胞內(nèi)聚合物積累量大胞內(nèi)聚合物積累量大3 胞內(nèi)無聚合物降解酶，分子量大胞內(nèi)無聚合物降解酶，分子量大4 易于提取易于提取5 胞內(nèi)聚合物顆粒大、結(jié)晶度高胞內(nèi)聚合物顆粒大、結(jié)晶度高6 能利用多種碳源能利用多種碳源7 在復(fù)雜培養(yǎng)條件下，胞內(nèi)聚合物才能高積在復(fù)雜培養(yǎng)條件下，胞內(nèi)聚合物才能高積累。累。8 有較成熟的高密度細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)有較成熟的高密度細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)生產(chǎn)生產(chǎn)PHB(V)的的A.eutrophus 和重組和重組E.coli 特點特點53二二 合成合成PHAs PHAs 的主要基質(zhì)的主要基質(zhì)1 1 糖質(zhì)碳源糖質(zhì)碳源2 2 甲醇甲醇3 3 氣體（氣體（H H2 2 、COCO2 2、 O O2 2

34、 ）4 4 烷烴及其衍生物烷烴及其衍生物541 糖質(zhì)碳源糖質(zhì)碳源 葡萄糖葡萄糖A.eutrophus的變異株利用葡萄糖已用于工的變異株利用葡萄糖已用于工業(yè)生產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)PHB。Kim等人采用等人采用細(xì)胞密度培養(yǎng)細(xì)胞密度培養(yǎng)的的方法，方法，50h細(xì)胞濃度達細(xì)胞濃度達164g/L，干細(xì)胞中，干細(xì)胞中 PHB含含76，PHB生產(chǎn)強度為生產(chǎn)強度為2.42g/(L.h)是目前世界上已報道的是目前世界上已報道的最高記錄最高記錄.55重組重組E.coli 利用豐富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培養(yǎng)基培養(yǎng)，利用豐富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培養(yǎng)基培養(yǎng)，42h細(xì)胞濃度達細(xì)胞濃度達117g/L，PHB占細(xì)胞干重占細(xì)胞干重76，P

35、HB生產(chǎn)強度生產(chǎn)強度2.11g/(L.h)降低成本，用合成培養(yǎng)基培養(yǎng)降低成本，用合成培養(yǎng)基培養(yǎng)35h，細(xì)胞濃度為，細(xì)胞濃度為71.4g/L，PHB干重干重22.8。即。即 在合成培養(yǎng)基上在合成培養(yǎng)基上不能大量積累不能大量積累PHB（乙酰（乙酰CoA不足）。不足）。在合成培養(yǎng)基上加有機氮源，改進方法，細(xì)胞濃在合成培養(yǎng)基上加有機氮源，改進方法，細(xì)胞濃度達度達116g/L，PHB干重達干重達62.2。56 蔗糖和糖蜜蔗糖和糖蜜帶有穩(wěn)定高拷貝數(shù)的帶有穩(wěn)定高拷貝數(shù)的pSYL104質(zhì)粒的重組質(zhì)粒的重組E.coli 能利用蔗糖生產(chǎn)能利用蔗糖生產(chǎn)PHB。在含蔗糖的合成培養(yǎng)基中采用恒定在含蔗糖的合成培養(yǎng)基中采用

36、恒定pH的分批的分批補料方式培養(yǎng)補料方式培養(yǎng)48h，細(xì)胞濃度達，細(xì)胞濃度達124.6g/L, PHB濃度濃度34.3g/L。加有機氮可以改善。加有機氮可以改善。利用糖蜜原料有困難：雜質(zhì)多，利用糖蜜原料有困難：雜質(zhì)多，PHB難積累。難積累。需精制后使用。需精制后使用。572、甲醇、甲醇v 甲醇是最便宜的基質(zhì)之一，甲醇是最便宜的基質(zhì)之一，v ICI擁有生產(chǎn)甲醇單細(xì)胞蛋白的技術(shù)經(jīng)驗，曾考慮用甲醇擁有生產(chǎn)甲醇單細(xì)胞蛋白的技術(shù)經(jīng)驗，曾考慮用甲醇作基質(zhì)生產(chǎn)作基質(zhì)生產(chǎn)PHB。甲醇菌積累。甲醇菌積累PHB含量不高，含量不高，PHB回回收成本大，獲得的收成本大，獲得的PHB的分子量較小，故放棄該路線。的分子量較

37、小，故放棄該路線。v 但可以作為尋求新的菌種和開發(fā)更有效的培養(yǎng)方法的途但可以作為尋求新的菌種和開發(fā)更有效的培養(yǎng)方法的途徑。徑。58593、氣體、氣體H2/CO2/O2v 真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等一些爆鳴氣細(xì)菌能利用真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等一些爆鳴氣細(xì)菌能利用H2/CO2/O2產(chǎn)生產(chǎn)生PHB，其中，其中H2作為能源，作為能源，CO2是碳源。是碳源。v 以以H2作為基質(zhì)按其價格和產(chǎn)率而言作為基質(zhì)按其價格和產(chǎn)率而言(見表見表1)在經(jīng)濟上在經(jīng)濟上是劃算的，且是劃算的，且H2又是一種干凈的可再生資源?？梢酝质且环N干凈的可再生資源?？梢酝瑫r解決兩個嚴(yán)重的環(huán)境污染問題：溫室效應(yīng)及廢棄的時解決兩個嚴(yán)重的環(huán)境污染問題：溫室效應(yīng)及

38、廢棄的非降解塑料對生態(tài)環(huán)境的危害。非降解塑料對生態(tài)環(huán)境的危害。v 安全性問題：解決混合氣體爆鳴的安全問題和氣體的安全性問題：解決混合氣體爆鳴的安全問題和氣體的循環(huán)利用問題?？刂苹|(zhì)氣相中氧的濃度低于氣體爆循環(huán)利用問題?？刂苹|(zhì)氣相中氧的濃度低于氣體爆炸的下限炸的下限(6.9%)是安全的。是安全的。604、烷烴及其衍生物、烷烴及其衍生物v 假單胞菌能利用中等鏈長的烷烴或其衍生物醇、酸等假單胞菌能利用中等鏈長的烷烴或其衍生物醇、酸等產(chǎn)生中等鏈長羥基烷酸的共聚物產(chǎn)生中等鏈長羥基烷酸的共聚物(PHAMCL)，共聚，共聚物中單體的組成與基質(zhì)碳架的長度有關(guān)。物中單體的組成與基質(zhì)碳架的長度有關(guān)。v 以 辛

39、烷 作 基 質(zhì) 連 續(xù) 培 養(yǎng) 食 油 假 單 胞 菌以 辛 烷 作 基 質(zhì) 連 續(xù) 培 養(yǎng) 食 油 假 單 胞 菌 ( P . oleovorans)，穩(wěn)定態(tài)細(xì)胞濃度，穩(wěn)定態(tài)細(xì)胞濃度11.6g/l，PHA的的生產(chǎn)強度為生產(chǎn)強度為0.58g/Lh，61（三）（三）PHAs的代謝途徑與調(diào)控的代謝途徑與調(diào)控vPHAs的產(chǎn)生機理的產(chǎn)生機理 微生物在碳源過量而其他營養(yǎng)如氮、磷、鎂或氧不足時，積累大量PHAs作為碳源和能源的貯存物，或作為胞內(nèi)還原性物質(zhì)還原能力的一種儲備。 當(dāng)限制性營養(yǎng)物再次被提供時，PHAs能被胞內(nèi)酶降解后作為碳源和能源利用。62 胞中積累的胞中積累的PHAs存在形式存在形式 以單個粒

40、子的形態(tài)存在，每個細(xì)胞含有的顆粒數(shù)量的大小隨微生物種類而不同，在Ralstonia eutropha中，每個細(xì)胞含有8-10個顆粒，每個顆粒直徑大小為0.2-0.5m； 以非晶體形式存在。具有高度的折光性，顆粒外面包裹著一層膜，沒有生物膜那樣的典型雙層結(jié)構(gòu)，膜中含有PHAs合成酶的降解酶系統(tǒng)。63PHAs的代謝途徑的代謝途徑n 不同微生物合成PHAs的途徑不同，基質(zhì)不同其合成途徑也有差異(圖7-2) 。真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌及多數(shù)細(xì)菌從糖合成PHB；深紅紅螺菌從糖合成PHB；食油假單孢菌等從鏈烴、醇及酸合成具有與基質(zhì)鏈長有關(guān)的HA單位的PHAs；一株產(chǎn)堿桿菌從長鏈偶碳脂肪酸合成PHB；銅綠假單孢菌等從糖

41、質(zhì)碳源(如葡萄糖酸)合成具中鏈HA單位的P HAs；真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等利用糖加丙酸合成PHBV。64基因重組細(xì)菌基因重組細(xì)菌v 20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期開始將重組年代后期開始將重組DNA技術(shù)應(yīng)用于生物技術(shù)應(yīng)用于生物合成合成PHB，來自于多種細(xì)菌的，來自于多種細(xì)菌的PHA生物合成酶生物合成酶PHA生物合成途徑的關(guān)鍵酶，已被在分子水平進行了生物合成途徑的關(guān)鍵酶，已被在分子水平進行了詳細(xì)的研究，詳細(xì)的研究， PHA生物合成酶基因已被克隆成功。生物合成酶基因已被克隆成功。v 3個實驗室獨立地將真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌個實驗室獨立地將真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌H16的的PHB生物合生物合成基因成基因phbA、phbB和和phbC克隆

42、并在大腸桿菌中表克隆并在大腸桿菌中表達。達。65基因重組細(xì)菌基因重組細(xì)菌v 研究發(fā)現(xiàn)，在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌中，研究發(fā)現(xiàn)，在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌中，PHA合成酶的結(jié)構(gòu)基因合成酶的結(jié)構(gòu)基因排列在稱為排列在稱為phbC-A-B的一個操縱子上，分別編碼的一個操縱子上，分別編碼PHA合成酶、合成酶、-酮基硫酯酶和依賴于酮基硫酯酶和依賴于NADPH的乙酰乙酰的乙酰乙酰CoA還原酶還原酶(見圖見圖7-4)。66三、三、PHAs的發(fā)酵生產(chǎn)的發(fā)酵生產(chǎn)v PHAs實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙是生產(chǎn)成本實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙是生產(chǎn)成本。英國帝國化學(xué)公司。英國帝國化學(xué)公司(ICI)認(rèn)為影響認(rèn)為影響PHAs生產(chǎn)成本生產(chǎn)成本

43、的主要因素有的主要因素有 菌種 原料 操作方式 提取方法67因而降低因而降低PHAs的生產(chǎn)成本主要措施的生產(chǎn)成本主要措施v (1)采用廉價基質(zhì)采用廉價基質(zhì)(如如CO2、H2和和O2，甲醇，乙醇，甲醇，乙醇，葡萄糖及來自農(nóng)業(yè)廢物的有機酸等葡萄糖及來自農(nóng)業(yè)廢物的有機酸等)和提高產(chǎn)物對基和提高產(chǎn)物對基質(zhì)的產(chǎn)率系數(shù)，降低發(fā)酵原材料的成本；質(zhì)的產(chǎn)率系數(shù)，降低發(fā)酵原材料的成本；v (2)提高生產(chǎn)強度提高生產(chǎn)強度(如選育高產(chǎn)菌株、采用合適的發(fā)酵如選育高產(chǎn)菌株、采用合適的發(fā)酵生產(chǎn)方式等生產(chǎn)方式等)，以降低操作成本；，以降低操作成本；v (3)改進提取、純化技術(shù)改進提取、純化技術(shù)(如不采用價格昂貴的有機溶如不采

44、用價格昂貴的有機溶劑、簡化操作等劑、簡化操作等)，以降低提取成本。，以降低提取成本。68PHAs的流加發(fā)酵的流加發(fā)酵v選定了較適宜的菌種、基質(zhì)和提取方法后，要進選定了較適宜的菌種、基質(zhì)和提取方法后，要進一步降低一步降低PHAsPHAs的生產(chǎn)成本，最主要的關(guān)鍵在于采的生產(chǎn)成本，最主要的關(guān)鍵在于采取適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵方式，以獲得高的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率、高取適當(dāng)?shù)陌l(fā)酵方式，以獲得高的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率、高的產(chǎn)物濃度。采取適宜的發(fā)酵生產(chǎn)方式是提高聚的產(chǎn)物濃度。采取適宜的發(fā)酵生產(chǎn)方式是提高聚合物的生產(chǎn)率和改進其質(zhì)量的關(guān)鍵。合物的生產(chǎn)率和改進其質(zhì)量的關(guān)鍵。69PHAs的流加發(fā)酵的流加發(fā)酵v 在在PHAs的生產(chǎn)中，通常采用分批發(fā)酵

45、法和流加發(fā)酵法，有時用連的生產(chǎn)中，通常采用分批發(fā)酵法和流加發(fā)酵法，有時用連續(xù)培養(yǎng)法來獲得高的生產(chǎn)強度。續(xù)培養(yǎng)法來獲得高的生產(chǎn)強度。v 由于由于真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌只有在某種營養(yǎng)成份氮、磷或氧等缺乏而碳源過量只有在某種營養(yǎng)成份氮、磷或氧等缺乏而碳源過量的不平衡生長條件下才能大量積累的不平衡生長條件下才能大量積累PHAs，一般可將發(fā)酵過程分成兩，一般可將發(fā)酵過程分成兩個階段來進行控制：個階段來進行控制： 第一階段為菌體細(xì)胞的形成階段，在此階段微生物利用基質(zhì)形成大量菌體，而多聚體PHAs的積累量很少； 第二階段為多聚體形成階段，當(dāng)培養(yǎng)基中某種營養(yǎng)耗盡時，細(xì)胞進入PHAs形成階段，在此階段PHAs

46、大量形成而菌體細(xì)胞基本上不繁殖。70v采用流加發(fā)酵法進行采用流加發(fā)酵法進行PHAsPHAs的生產(chǎn)時，可以在某些的生產(chǎn)時，可以在某些必須的營養(yǎng)成分成為生長限制性因素之前，對其必須的營養(yǎng)成分成為生長限制性因素之前，對其進行定量流加，延長細(xì)胞的對數(shù)生長期，從而可進行定量流加，延長細(xì)胞的對數(shù)生長期，從而可以獲得較高的菌體濃度。以獲得較高的菌體濃度。71v 減少菌體細(xì)胞在生長階段積累多聚體，也需通過流加法來減少菌體細(xì)胞在生長階段積累多聚體，也需通過流加法來控制，培養(yǎng)液中氨離子濃度不小于控制，培養(yǎng)液中氨離子濃度不小于200 mg/L，否則會，否則會降低共聚體的最終產(chǎn)率。降低共聚體的最終產(chǎn)率。v 在多聚體形

47、成階段，限制氮源能刺激細(xì)胞積累在多聚體形成階段，限制氮源能刺激細(xì)胞積累PHAs，但，但氮源的完全缺乏會極大地?fù)p害微生物細(xì)胞的合成活性，所氮源的完全缺乏會極大地?fù)p害微生物細(xì)胞的合成活性，所以將在以將在PHAs合成階段以較低的速率限量流加氮源。與分合成階段以較低的速率限量流加氮源。與分批發(fā)酵中氮源完全缺乏相比，流加發(fā)酵細(xì)胞中的批發(fā)酵中氮源完全缺乏相比，流加發(fā)酵細(xì)胞中的PHAs含含量增加更快。量增加更快。PHAs的流加發(fā)酵的流加發(fā)酵72v此外，與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，流加發(fā)酵通常具此外，與傳統(tǒng)的分批發(fā)酵相比，流加發(fā)酵通常具有染菌和退化的幾率小，可以獲得較高的轉(zhuǎn)化率有染菌和退化的幾率小，可以獲得較高的轉(zhuǎn)

48、化率，對發(fā)酵易實現(xiàn)優(yōu)化控制等優(yōu)點。，對發(fā)酵易實現(xiàn)優(yōu)化控制等優(yōu)點。731、采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)、采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)PHB（1）選擇限制培養(yǎng)基中的氮源作為流加控制的手）選擇限制培養(yǎng)基中的氮源作為流加控制的手段，可以提高段，可以提高PHB產(chǎn)率；產(chǎn)率；（2）控制碳氮比相當(dāng)重要。）控制碳氮比相當(dāng)重要。742、采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)共聚物、采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)共聚物P(HB-CO-HV) 聚羥基烷酸（聚羥基烷酸（PHAs）是一類具有廣泛工）是一類具有廣泛工業(yè)應(yīng)用價值的耐熱塑料，某些共聚物業(yè)應(yīng)用價值的耐熱塑料，某些共聚物PHA比均聚比均聚物物PHB具有更有用的熱機械性能，如具有更有用的熱機械性能，如PHB較脆較脆和

49、發(fā)硬，而和發(fā)硬，而HB和和HV形成的共聚物形成的共聚物PHA比比PHB的硬度降低而韌度增加。的硬度降低而韌度增加。75v在共聚物在共聚物P(HB-CO-HV)的生產(chǎn)過程當(dāng)中，流加的生產(chǎn)過程當(dāng)中，流加發(fā)酵比分批發(fā)酵具有明顯優(yōu)勢。發(fā)酵比分批發(fā)酵具有明顯優(yōu)勢。丙酸和戊酸丙酸和戊酸是生是生產(chǎn)共聚物產(chǎn)共聚物P(HB-CO-HV)所必需的基質(zhì)，由于這所必需的基質(zhì)，由于這些有機酸對菌體細(xì)胞具有一定的毒性，故采用簡些有機酸對菌體細(xì)胞具有一定的毒性，故采用簡單的分批發(fā)酵不可能獲得高產(chǎn)，采用流加培養(yǎng)法單的分批發(fā)酵不可能獲得高產(chǎn)，采用流加培養(yǎng)法，可以避免由于培養(yǎng)基中有機酸的積累而使細(xì)胞，可以避免由于培養(yǎng)基中有機酸的

50、積累而使細(xì)胞活力受到損害，從而達到提高活力受到損害，從而達到提高P(HB-CO-HV)產(chǎn)產(chǎn)率的目的。率的目的。76v另外為了減少菌體細(xì)胞在生長階段積累多聚體，另外為了減少菌體細(xì)胞在生長階段積累多聚體，也需通過流加的方法來控制培養(yǎng)液中銨離子濃度也需通過流加的方法來控制培養(yǎng)液中銨離子濃度不小于不小于200mg/L200mg/L，否則會降低共聚體的產(chǎn)率。，否則會降低共聚體的產(chǎn)率。77（三）流加培養(yǎng)條件對多聚體相對分子量的影響（三）流加培養(yǎng)條件對多聚體相對分子量的影響 多聚體的相對分子量常常影響其質(zhì)量和生物降解的速多聚體的相對分子量常常影響其質(zhì)量和生物降解的速度。度。 不同用途對生物可降解多聚體的平均

51、相對分子質(zhì)量大不同用途對生物可降解多聚體的平均相對分子質(zhì)量大小要求不同，一般來說平均相對分子質(zhì)量大且相對分子質(zhì)小要求不同，一般來說平均相對分子質(zhì)量大且相對分子質(zhì)量分布范圍窄的多聚體具有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，并且量分布范圍窄的多聚體具有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，并且提取也較為方便。提取也較為方便。78 多聚體的平均相對分子量大小受流加培養(yǎng)條多聚體的平均相對分子量大小受流加培養(yǎng)條件的影響。當(dāng)培養(yǎng)條件恒定時，其平均相對分子件的影響。當(dāng)培養(yǎng)條件恒定時，其平均相對分子量也保持相對恒定，因而只要控制適宜的流加培量也保持相對恒定，因而只要控制適宜的流加培養(yǎng)條件，就可以將相對分子量控制在所需的范圍養(yǎng)條件，就可以將

52、相對分子量控制在所需的范圍之內(nèi)。之內(nèi)。79 對于共聚物對于共聚物P(HB-CO-HV)而言，由于大而言，由于大多數(shù)微生物即使在氮源和磷等因素不受限制的細(xì)多數(shù)微生物即使在氮源和磷等因素不受限制的細(xì)胞生長階段也能在胞內(nèi)積累少量的胞生長階段也能在胞內(nèi)積累少量的PHB，因而在，因而在加入任何能激發(fā)其形成共聚體的基質(zhì)時，菌體胞加入任何能激發(fā)其形成共聚體的基質(zhì)時，菌體胞內(nèi)已含有一些均聚物內(nèi)已含有一些均聚物PHB，因而得到的是各種，因而得到的是各種HV單體含量的共聚體的混合物。單體含量的共聚體的混合物。80v 為了得到更均質(zhì)的共聚體，在共聚物為了得到更均質(zhì)的共聚體，在共聚物P(HB-CO-HV)的積累階段開

53、始時，應(yīng)先使培的積累階段開始時，應(yīng)先使培養(yǎng)物處于碳源饑餓狀態(tài)，這樣使細(xì)胞內(nèi)源養(yǎng)物處于碳源饑餓狀態(tài)，這樣使細(xì)胞內(nèi)源PHB的量大大降低，得到的共聚物也就較為均一。的量大大降低，得到的共聚物也就較為均一。81v另外，共聚體中另外，共聚體中HB/HV單體比例依賴于流加過單體比例依賴于流加過程中糖程中糖/丙酸或者丁酸丙酸或者丁酸/戊酸的比例，且基質(zhì)流戊酸的比例，且基質(zhì)流加速率應(yīng)小于其最大可能的利用速率，以避免對加速率應(yīng)小于其最大可能的利用速率，以避免對細(xì)胞有毒性的基質(zhì)的積累，確保產(chǎn)生的共聚物具細(xì)胞有毒性的基質(zhì)的積累，確保產(chǎn)生的共聚物具有恒定的有恒定的HB/HV比例。比例。82第四節(jié)第四節(jié) PHAs的提取

54、的提取vPHB的提取涉及到兩個方面的問題：一是方法的的提取涉及到兩個方面的問題：一是方法的合理性，主要表現(xiàn)在提取率、產(chǎn)物的純度，提取合理性，主要表現(xiàn)在提取率、產(chǎn)物的純度，提取過程是否對過程是否對PHB的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以及是否方便的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以及是否方便操作，預(yù)后處理是否復(fù)雜、環(huán)境是否污染等方面操作，預(yù)后處理是否復(fù)雜、環(huán)境是否污染等方面。二是過程的經(jīng)濟性，表現(xiàn)在提取的材料的費用。二是過程的經(jīng)濟性，表現(xiàn)在提取的材料的費用、能量的消耗和設(shè)備的投資等。、能量的消耗和設(shè)備的投資等。83四、四、PHAs的提取技術(shù)的提取技術(shù)v有機溶劑法有機溶劑法v次氯酸鈉提取法次氯酸鈉提取法v酶法酶法v表面活性劑表面活

55、性劑- -次氯酸鈉法次氯酸鈉法v其他方法其他方法841. 有機溶劑法有機溶劑法v 對于由真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌對于由真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌(Ralstonia eutropha)生產(chǎn)生產(chǎn)PHB，研究初期通常采用的提取方法是有機溶劑法。包括研究初期通常采用的提取方法是有機溶劑法。包括 : 氯仿、二氯乙烷、氯仿、二氯乙烷、1,1,2三氯乙烷、乙酸酐、碳酸三氯乙烷、乙酸酐、碳酸乙烯酯及碳酸丙烯酯等。乙烯酯及碳酸丙烯酯等。v 原理：有機溶劑一方面能改變細(xì)胞壁和膜的通透性，原理：有機溶劑一方面能改變細(xì)胞壁和膜的通透性，另一方面能使另一方面能使PHB溶解到溶劑中，而非溶解到溶劑中，而非PHB的細(xì)胞物的細(xì)胞物質(zhì)質(zhì)(NPCM)不

56、能溶解，從而將不能溶解，從而將PHB與其它物質(zhì)分離開與其它物質(zhì)分離開來。具體操作步驟如圖來。具體操作步驟如圖7-5所示。所示。85圖7-5 有機溶劑提取PHB的過程示意圖86(1)當(dāng)溶劑中含有超過當(dāng)溶劑中含有超過5%(w/v)的的PHB時，溶液變得很時，溶液變得很粘，要去掉細(xì)胞的殘余物就變得很困難；粘，要去掉細(xì)胞的殘余物就變得很困難；(2) 提取率難以達到很高；提取率難以達到很高；(3)使用大量的有機溶劑；使用大量的有機溶劑；(4)造成嚴(yán)重環(huán)境污染，操作不便。造成嚴(yán)重環(huán)境污染，操作不便。優(yōu)點：引起優(yōu)點：引起PHB的降解非常小，得到的降解非常小，得到PHB的純度非常高。的純度非常高。因此，用有機

57、溶劑提取因此，用有機溶劑提取PHB通常作為一種實驗室方法。通常作為一種實驗室方法。有機溶劑的方法的缺點872 次氯酸鈉提取法次氯酸鈉提取法v 次氯酸鈉能夠破胞且對細(xì)胞中的次氯酸鈉能夠破胞且對細(xì)胞中的非非PHB的細(xì)胞物質(zhì)的細(xì)胞物質(zhì)的的消化很有效，因而用該方法破胞所得產(chǎn)品的純度較高消化很有效，因而用該方法破胞所得產(chǎn)品的純度較高、提取速度快，避免了有機溶劑提取過程中繁瑣的前、提取速度快，避免了有機溶劑提取過程中繁瑣的前、后處理工作。、后處理工作。v 但是但是PHB分子量只有原來的一半。分子量只有原來的一半。v 具體操作過程見圖具體操作過程見圖2。 88圖2 次氯酸鈉提取PHB過程示意圖89次氯酸鈉提

58、取法次氯酸鈉提取法優(yōu)點：不使用大量的有機溶劑。優(yōu)點：不使用大量的有機溶劑。缺點：次氯酸鈉對缺點：次氯酸鈉對PHBPHB分子有嚴(yán)重的降解作用，因分子有嚴(yán)重的降解作用，因而所獲得的而所獲得的PHBPHB的分子量較小。的分子量較小。90次氯酸鈉次氯酸鈉/ /氯仿提取法氯仿提取法 改進：根據(jù)氯仿提取時改進：根據(jù)氯仿提取時PHBPHB純度高且被降解程度純度高且被降解程度小，而次氯酸鈉對非小，而次氯酸鈉對非PHBPHB細(xì)胞物質(zhì)消化很有效的細(xì)胞物質(zhì)消化很有效的優(yōu)點，結(jié)合優(yōu)點，結(jié)合PHBPHB疏水親油物質(zhì)，而細(xì)胞膜具有親疏水親油物質(zhì)，而細(xì)胞膜具有親水性的特點的原理，發(fā)明了用分散的次氯酸鈉水性的特點的原理，發(fā)明

59、了用分散的次氯酸鈉/ /氯仿提取氯仿提取PHBPHB的方法。的方法。91 冷凍干燥的菌體冷凍干燥的菌體+次氯酸鈉次氯酸鈉+氯仿破壁氯仿破壁 離心分離離心分離 氯仿相中加入非溶劑物質(zhì)使氯仿相中加入非溶劑物質(zhì)使PHB沉淀沉淀 離心過濾分離離心過濾分離 烘干烘干 成品成品92v在該方法中次氯酸鈉主要起破胞作用，而氯仿則在該方法中次氯酸鈉主要起破胞作用，而氯仿則對破胞產(chǎn)生的對破胞產(chǎn)生的PHB起保護作用，因而不但可得到起保護作用，因而不但可得到較高純度的較高純度的PHB，而且，而且PHB被次氯酸鈉降解的被次氯酸鈉降解的程度大大降低。同時由于破胞較完全，因而可以程度大大降低。同時由于破胞較完全，因而可以獲

60、得較好的提取收率。獲得較好的提取收率。93v優(yōu)點：提取率較高，得到的優(yōu)點：提取率較高，得到的PHB的分子量較大。的分子量較大。v缺點：需要大量的有機溶劑，并且操作復(fù)雜，限缺點：需要大量的有機溶劑，并且操作復(fù)雜，限制了工業(yè)化生產(chǎn)。制了工業(yè)化生產(chǎn)。94三、酶法三、酶法 基本原理與次氯酸鈉法相似，即讓大量的基本原理與次氯酸鈉法相似，即讓大量的NPCMNPCM溶解而溶解而PHBPHB不溶解，從而達到分離提純的目的不溶解，從而達到分離提純的目的。但是由于。但是由于NPCMNPCM通常包括核酸、類脂物、磷脂、通常包括核酸、類脂物、磷脂、肽聚糖以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)，因此實際上是通過多肽聚糖以及蛋白質(zhì)等物質(zhì)，因此