第8章可降解塑料的生物合成PPT课件

第一节可降解塑料概述第二节可降解塑料的结构、理化性质及应用第三节生物合成第四节发酵生产第五节提取技术第六节可降解塑料的生物降解第七节可降解塑料的工业化第八节可降解塑料的生物合成第一节可降解塑料概述石化工业的兴起使石化合成塑料在人类生活中发挥了重要作用。自20世纪70年代以来，塑料工业发展迅速，与工业、农业、建筑和人们的日常生活密切相关。然而，目前使用的化学合成塑料不易分解，在自然环境中不会被腐蚀。燃烧处理也会产生有害气体。越来越多的塑料垃圾将对环境造成很大的危害。普通塑料是主要由合成树脂组成的化学合成材料。对环境的污染有以下特点：污染范围广，河流湖泊、田野和山脉随处可见。(2)污染物增长速度快。据统计，世界每年对塑料的需求为1亿吨，倾倒入海洋的塑料废物量为10万吨，尤其是在陆地上。1985年，中国农用薄膜产量为30万吨，1990年为50万吨。2005年，中国对包装塑料的需求达到500万吨。据30%的一次性塑料包装材料和产品难以收集，产生的废物量达到150万吨。中国可覆盖5亿多亩塑料薄膜，需求量已达到100万。这很难处理。塑料具有耐酸碱、抗氧化、耐腐蚀和抗降解的特性。埋在地下一百年；大量有毒气体，如氯化氢、硫氧化物、一氧化碳等。在燃烧过程中产生。当各种塑料和类似产品预计在环境中降解时，自动销售的产品铝罐聚乙烯泡沫可用于处理木制筷子塑料瓶货物飞机杯子泡沫杯/尿布(PET)时间/a 20 100 500 20 20 100，以及(4)回收很困难。塑料制品种类繁多，含有各种填料和颜料，难以分类、回收和再利用。(5)生态环境受到严重威胁。塑料薄膜降低了耕地质量，作物短，抗病能力差。残膜随风飘动，对周围环境、畜牧业和水产养殖业影响很大。5.如此巨大的塑料垃圾对生态和环境产生了严重的影响，由此产生的环境问题将会越来越严重。许多国家已经开始用生物降解塑料代替一些石化合成塑料，并相继颁布了一些法律法规禁止某些塑料产品。例如，自1991年以来，意大利立法规定所有包装塑料必须是可生物降解的，中国也开始禁止不可降解的塑料产品，如塑料快餐盒。目前，生产可降解塑料的主要国家有美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。美国是开发可降解塑料的主要国家之一。主要有十几个单位，如塑料降解研究联合会(PDRC)和生物降解塑料研究所(BEOPS)。其目的是为可降解材料的合成、加工、降解试验、测试技术和方法建立一个标准体系。近年来，日本先后成立了生物降解塑料研究协会和生物降解塑料实用审查委员会。日本交通工业部已将生物降解塑料列为继金属材料、无机材料和高分子材料之后的“第四种新材料”。欧洲的必和必拓已经建立了一套完善的生物降解塑料降解评价体系。生物可降解塑料是指能够被自然环境中微生物的生命活动迅速降解的聚合物材料。根据其降解特性，可分为完全生物降解塑料和可生物降解塑料。根据其来源，可分为天然高分子材料、微生物合成材料、化学合成材料、混合材料等。天然高分子是由淀粉、纤维素、甲壳素和蛋白质等天然高分子材料制成的可生物降解的材料。这种物质来源丰富，可以在众多可生物降解材料中，微生物发酵生产的聚-羟基链烷酸(PHAs)已成为应用环境生物学的研究热点。其中，-羟基丁酸(PHB)和3-羟基丁酸与3-羟基戊酸的共聚物(P(3HB-co-3HV)或PHBV)是PHAs家族中研究和应用最广泛的两种聚合物。聚(-羟基链烷酸)作为一种光学活性聚酯，不仅具有高分子化合物的基本特性，如轻质、弹性、可塑性、耐磨性、抗辐射等。但更重要的是，它具有生物降解性和生物相容性。研究表明，由PHAs制成的洗发水瓶子在自然环境中放置9个月后基本上可以完全降解，而由合成塑料制成的物品也需要大约100年才能完全降解。因此，研究和开发聚-羟基链烷酸(PHAs)成为最有潜力的石化合成塑料替代品，可以避免或减少塑料废弃物对环境的污染，具有深远的环境意义。第2节PHAs的结构、理化性质及应用，OCH 2C、N、O、R、R为甲基，单体为-羟基丁基(HB)；当R为乙基时，单体为-羟基戊酸(HV)；当R为丙基时，单体为-羟基己酸；当R为丁基时，单体为-羟基庚酸；n是单体的数量。当R是甲基时，它的聚合物是-羟基丁酸(PHB)，当R是乙基时，它的聚合物是-羟基戊酸(PHV)；等等。PHAs的通式可以写成：在一定条件下，各种微生物可以在细胞中积累聚-羟基链烷酸(PHAs)作为碳源和能源的储存。我们可以用溶剂法从不同的细菌中提取这些聚合物，一些聚合物的相对分子质量可以达到2106。每个PHA颗粒包含数千个聚合物链。这些聚合物的物理化学性质和机械性质，如韧性、脆性、熔点、玻璃化温度和耐溶剂性，与单体组成有很大关系。例如，3-羟基丁酸和3-羟基戊酸的共聚物中-羟基戊酸组分的增加可以将熔点从180降低到75。细菌聚-羟基链烷酸(PHAs)的理化性质的研究大多是在两种聚合物上进行的：-羟基丁酸(PHB)和3-羟基丁酸与3-羟基戊酸的共聚物(PHBV)。羟基丁酸是一种高度结晶的晶体。其物理性能和分子结构与聚丙烯非常相似，如熔点、玻璃温度、结晶度、拉伸强度等。聚羟基丁酸酯具有相对密度高、透氧性低、抗紫外线、光学活性、防潮、压电等优点。聚-羟基链烷酸的生物降解性和生物相容性是许多化学合成塑料所不具备的。热塑性聚酯如聚醋酸乙烯酯可以纺丝、压制或注射成型，并可用作工业中的各种包装材料。由于它们的生物相容性，它们可以在医学应用中用作手术缝合线、骨替代物或骨板，并且不需要在手术后取出。该研究还发现，PHB的降解产物D(-)-3-羟基丁酸是所有高等动物中普遍存在的中间产物。原核生物和真核生物中发现的小分子量100-200单体的PHB具有作为细胞膜离子通道成分的功能，并且在人血浆中也检测到其大量存在。因此，植入哺乳动物组织的-羟基丁酸(PHB)不会对身体造成毒性。表8-2-2 PhAS手术缝合线、肘钉、棉签等的应用范围。PHAs伤口敷料；血管替代品；骨替代物和骨药物上板(由于压电效应可促进骨生长)；长效药物的生物可降解载体：长效除草剂、抗真菌剂和杀虫剂；可生物降解的载体，如肥料；包装材料，如容器、瓶子、工业袋、薄膜等。妇女卫生用品、尿布等。合成手性化合物的前体材料，第3节PHAs的生物合成，1。合成PHAs的主要微生物，2。PHAs合成的主要底物，3。PHAs的代谢途径和调节。1.合成多聚-羟基链烷酸(PHAs)的主要微生物分布广泛，包括光合自养菌和异养菌，占总菌数的10%目前，用于合成PHAs的微生物有：产碱杆菌、假单胞菌、甲基营养菌、固氮菌、红螺菌等。它们可以分别使用不同的碳源产生不同的PHA。在大多数情况下，微生物可以使用糖加丙酸或戊酸来产生PHBV，并且可以通过改变两者的比例来控制共聚物中的HB和HV的比例。然而，丙酸或戊酸价格昂贵且对细菌有毒，因此培养液中的浓度必须控制在非常低的水平，并且产率和转化率不高，这也是生产中的不利因素。自20世纪90年代以来，已经发现一些属于红球菌属、诺卡氏菌属和棒状杆菌属的细菌可以通过葡萄糖或其它单一碳源产生含有血红蛋白和血红蛋白的PHA。上世纪末，人们观察到产碱杆菌H16的异亮氨酸缺陷突变型R8可以从单一的不相关的碳源如果糖或葡萄糖酸产生PHBV。当果糖用作碳源时，共聚物占干细胞重量的47%。这些发现不仅为PHA生物合成和调控机制的研究增加了新的内容，而且为探索从廉价的单一碳源生产PHBV开辟了新的途径。当选择用于PHAs工业生产的菌株时，可以考虑以下因素，主要包括细菌利用廉价碳源的能力、生长速率、聚合物合成速率和聚合物在细胞中的最大积累程度。例如，英国ICI公司分别对固氮菌、甲基营养菌和产碱杆菌进行了检测。首先，固氮细菌被废弃，因为它们也产生多糖，从而降低了-羟基丁酸(PHB)的产量。其次，甲基营养细菌被拒绝。这些细菌的PHB产量不高，胞内PHB含量只有65%左右。第三，甲醇被淘汰。尽管甲醇的价格很低，但转化系数也很低。经过研究，自生产碱杆菌因其生长速度快、易于培养、胞内PHB含量高、聚合物分子量大以及能够利用多种经济碳源而最终被选为PHAs生产菌株。(2)合成PHAs 1的主基质。可用于PHA工业生产的碳水化合物碳源包括葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。(1)产碱杆菌野生菌株H16是一种真正的葡萄糖生产菌，它利用果糖来积累PHB。其利用葡萄糖的突变株已用于PHB的工业生产。例如，Kamm等人使用细胞密度培养方法，并通过在线葡萄糖浓度控制，首先平衡菌体生长至70g/L，然后允许积累PHB。50小时后，细胞浓度达到164克/升，干细胞中PHB含量为76%，发酵液中PHB含量为121克/升，PHB生产强度为2.42克/(升)，是目前世界上最高的报道记录。(2)蔗糖和糖蜜产碱菌可通过蔗糖积累-羟基丁酸(PHB)，补料分批培养法积累的PHB可达60 g/L以上。目前，在15m3反应器中，中试生产水平为每周1 PHB。该菌生长速度快，可利用廉价的甜菜或甘蔗糖蜜，细胞生长与PHB积累同步。然而，使用糖蜜作为底物仍有争议。Peg认为甜菜糖蜜作为底物的价格是葡萄糖的1/2，而ICI认为糖本身价格低但含有许多杂质，这增加了PHB积累的难度。为了增加PHB的含量，需要对糖蜜原料进行精制，这增加了成本。此外，糖蜜的使用也会给后提取增加困难(例如高粘度、脱色等)。)，糖蜜是一种季节性产品，很难储存和运输，糖蜜含糖量低(通常低于50%的含糖量)。如果用于高密度细胞培养，需要添加纯糖，这也会影响成本。因此，考虑到使用糖蜜的整体效益，尽管糖蜜本身很便宜，但在实际生产中仍有许多困难需要克服。甲醇是最便宜的底物之一，但ICI公司放弃了这一路线，因为甲醇细菌积累的PHB含量不高，增加了PHB回收过程的成本，且PHB分子量小。然而，由于甲醇价格低廉，人们仍然被吸引去寻找新的菌株和开发更有效的培养方法。Khem等人在微机辅助的自动补料分批培养系统中，在限钾(25毫克/升)条件下，使用亲有机的甲基杆菌大量生产PHB。当甲醇浓度保持在2-3g/L时，细胞的生长不受抑制，培养70小时后细胞浓度达到250g/L，这是目前高密度培养中产生PHB的细胞浓度的最高记录。3。气体H2/CO2/O2富营养化产碱杆菌和其他爆炸性气体细菌可以利用H2/CO2/O2生产-羟基丁酸(PHB)，其中H2是能源，CO2是碳源。H2是一种清洁的可再生资源。通过吸收CO2生产生物降解塑料，可以同时解决温室效应和废弃不可降解塑料的危害两大环境污染问题。然而，解决混合气体爆炸的安全问题和气体回收问题在技术上是必要的。将基质气相中的氧浓度控制在气体爆炸下限(6.9%)以下是安全的，而循环气体闭路培养系统可以有效利用气体。Tanaka等人研究了利用H2/CO2/O2高密度培养富营养化产碱杆菌生产PHB的最新结果。限氧培养40h后，细胞浓度和PHB浓度分别达到91.3克/升和61.9克/升。假单胞菌烷烃及其衍生物可以使用中链烷烃或其衍生物如醇和酸生产中链羟基链烷酸的共聚物(PHAMCL)，并且共聚物中单体的组成与基质碳骨架的长度有关。辛烷被用作油质假单胞菌连续培养的底物。通过优化培养基和增加氧转移速率，稳定的细胞浓度增加到11.6克/升，并且在具有非常有效的氧转移的反应器中进行补料分批培养。38小时细胞浓度为37.1克/升，PHA占干细胞重量的33%。例如，引入纯氧以满足细胞对氧的需求，向培养物中加入辛酸45小时，细胞浓度为41.8克/升，PHA占干细胞重量的37.1%。对PHAs代谢途径和调控的研究表明，当碳源过量，而氮、磷、镁或氧等其他营养物质不足时，许多微生物可在细胞内大量积累聚-羟基链烷酸，以作为碳源和能量的储存。当限制性营养物质再次被提供时，PHAs可以被细胞内酶降解，并用作碳源和能源。细胞内积累的PHAs以单个颗粒的形式存在，不同微生物细胞内所含颗粒的数量和大小不同。在真正培养的产碱杆菌中，每个细胞含有8-10个颗粒，每个颗粒的直径为0.20.5m.在电子显微镜下观察到这些内含物具有高折光力，并且颗粒被一层膜覆盖，该膜不具有像生物膜那样的典型双层结构，并且含有PHAs合成酶的降解酶系统。PHAs不仅在微生物饥饿的情况下作为碳源和能源，而且在其他环境压力条件下(如渗透压、脱水或紫外线辐射)对微生物的生存也起着重要作用。一般来说，在恶劣环境中，含有PHAs的细胞微生物比不含PHAs的细胞具有更高的存活率。最近的研究发现，PHAs不仅具有细胞内储存的生理功能，而且还是细胞膜的结构化合物。不同的微生物有不同的合成方法和不同的底物，它们的合成方法也不同，这是微生物代谢多样性的表现。在不同微生物中，利用不同底物合成PHA的主要途径包括：(1)富营养化产碱杆菌和大多数细菌利用糖作为底物合成PHB(2)深红红螺菌以糖为基质合成羟基丁酸；(3)PHA；与基质链长度相关的透明质酸单元由油质假单胞菌和其他中链烃、醇和酸合成；(4)产碱杆菌菌株利用长链均匀碳脂肪酸合成PHB(5)铜绿假单胞菌等利用糖碳源合成具有中链羟基磷灰石单元的聚羟基乙酸；(6)产碱杆菌以糖和丙酸为原料合成了聚羟基丁酸。在富营养化产碱杆菌和许多微