第8章可降解塑料的生物合成

第一节可降解塑料概述第二节PHAs的结构、理化性质和应用第三节PHAs的生物合成第四节PHAs的发酵生产第五节PHAs的提取技术第六节PHAs的生物降解第七节PHAs的产业化，第八章可降解塑料的生物合成，第一节可降解塑料出现了石油化学合成塑料，使石油化学合成塑料在人类生活中发挥重要作用，工业虽然与人们的日常生活等所有塑料密切相关的塑料产业迅速发展，但现在使用的化学合成塑料在自然环境中不会分解或腐蚀，燃烧处理产生有害气体，越来越多的塑料垃圾对环境造成了巨大的危害。普通塑料是合成树脂为基础的化学合成材料。对于环境污染，公害范围很广，江河、湖泊、田野、山川随处可见。污染物增加速度快。据统计，全世界每年对塑料的需求为1亿吨，向海洋倾倒的塑料垃圾达数十万吨的陆地更难计算。1985年我国农用薄膜30万吨，1990年50万吨，2005年中国包装塑料需求达500万吨，按难以收集的一次性塑料包装材料和产品30%计算，废弃物产生量为150万吨。我国可复盖的塑料薄膜面积超过5亿亩，需求已达到100万套。处理困难。塑料具有酸碱、抗氧化、耐腐蚀性、耐火性等特性。掩埋100年的处理；燃烧时产生很多有毒气体，如HCl、SOx、CO等。预计各种塑料及类似产品将在环境中分解的时间产品铝罐聚乙烯泡沫，木材筷子、塑料瓶、货物机、杯子、泡沫杯/碟子、尿布(PET)时间/a 20 100 500 20 100，很难回收利用。塑料产品种类多，填充物、油漆多种多样，很难分类和回收。生态环境有害。塑料薄膜降低耕地质量，作物植物短，抗病性差。残膜随风飘动会对周围环境、畜牧业、养殖业都产生很大影响，如此大量的塑料垃圾严重影响生态和环境，由此引起的环境问题将越来越严重。在开始使用生物降解塑料代替部分石化合成塑料的多个国家，接连出现了禁用部分塑料产品的法规。就像意大利从1991年开始将包装用塑料都规定为可生物降解塑料一样，我国也开始停用塑料偏食盒等可降解塑料产品。目前生产可降解塑料的国家主要是美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。美国是可降解塑料开发的主要国家之一，主要拥有10多个单位，旨在建立可降解材料合成、加工技术、分解试验、测试技术和方法标准体系，如塑料分解研究联合体(PDRC)、生物/环境分解塑料研究会(BEOPS)等。近年来，日本在日本桐山省先后建立了金属材料、无机材料、高分子材料为“第四新材料”的生物降解塑料实用化审查委员会。欧洲bhl-eu RAE构建了可生物降解塑料的完整分解评估系统。生物降解塑料是指在自然环境中通过微生物的生命活动可以快速分解的高分子材料。按分解特性可分为完全可生物降解塑料和生物降解塑料。根据其来源，可以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。天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳素、蛋白质等天然高分子材料制成的生物降解材料。这种物质来源丰富，可以完全生物降解，没有产品的安全性和毒性，因此越来越受到关注。美国Warner-Lambert公司开发了用70%的粉碎淀粉和30%的直链淀粉制成的新树脂，具有优良的生物降解性，可以替代农业中使用的各种生物降解材料。，在众多生物降解材料中，微生物发酵生产的聚-羟基烷酸(PHAs)成为应用环境生物学的热点研究对象。其中-hydroxybutyric acid (PHB)和3- hydroxybutyric acid和3- hydroxyvalate的共聚物简单地说是P(3HB-co-3HV)或PHBV具有光学活性的聚酯，聚-羟基烷酸(PHAs)，除了具有轻质量、弹性、可塑性、耐磨性、抗死性等高分子化合物的基本特性外，还具有生物降解性和生物相容性。研究结果显示，用PHAs制成的洗发水瓶子在自然环境中9个月后基本上可以完全分解，而用合成塑料制成的东西也可以完全分解100年左右。因此，研究开发和开发可成为类似用途的石化合成塑料最潜在的替代产品的聚-羟基烷酸(PHAs)，对避免或减少塑料废弃物对环境的污染具有极大的环境意义。PHAs的结构、理化性质和应用，och ch 2c，n，o，r，r为甲基时，单体为-hydroxyding (HB)。r为乙基时，单体为-羟戊酸(HV)。r为剖面时，单体为-羟基己酸(HC)；r为丁基时单体为-羟基庚酸(hh)；n是单体的数目。如果r为甲基，则聚合物为-羟基丁酸(PHB)，如果r为乙基，则聚合物为-羟丁酸(phv)。吉他依次类推。PHAs的通识可写为：多种微生物在特定条件下，可以用碳源和能量储存物在细胞内积累聚-羟基烷酸(PHAs)。我们可以用溶剂从不同的细菌中提取这些聚合物，有些聚合物在相对分子中的质量最高为2106。每个PHA粒子包含数千个多主体链。这种聚合物的物理和化学性质，以及韧性、脆性、熔点、玻璃温度和溶剂耐性等机械性质，与单体的组成非常相关。例如，在3-羟基丁酸和3-羟戊酸(PHBV)共聚物中，-羟戊酸成分的增加可以将熔点从180oC(PHB)减少到75oC。细菌聚-羟基烷酸(PHAs)的理化性质的大部分研究包括-羟基丁酸(PHB)和3-羟基丁酸和3-羟戊酸共聚物(PHB的物理特性和分子结构(例如熔点、玻璃温度、结晶度、抗拉强度等)是与聚丙烯(PP)非常相似的晶体，而PHB具有相对密度、低氧和紫外线暴露以及光学活性、耐湿性和压电特性等优点。多-羟基烷酸(PHAs)的生物降解性和生物相容性在许多化学合成塑料中是找不到的。热塑性聚酯(如PHAs)可以辐射、压花或注射成型，可在工业上用作各种包装材料，医药方面以生物相容性为特征，可用作术后无需移除的外科缝线、骨代用品或骨板。本研究还发现，PHB的分解产物d(-3-羟基丁酸)是由细胞膜离子通道构成的小分子PHB，包含原核生物和真核生物中发现的100-200个单体，并检测人体血浆中的大量存在。因此，植入哺乳动物组织的-羟基丁酸(PHB)对身体没有毒性。表8-2-2PHAs的适用范围PHAs的适用外科缝线、肘钉、棉签等；伤口敷料；血管替代物；骨替代物及骨医学顶板(因为压电效应能促进骨骼生长)；长效药物的生物降解载体长效除草剂、防霉剂、杀虫剂；肥料和其他生物降解载体；容器、瓶子、工业包、薄膜等包装材料；妇女卫生用品、尿布等；合成手性化合物的前体原料，iii PHAs生物合成，1，合成PHAs的主要微生物2，合成PHAs的主要基质3，合成PHAs的代谢途径和调控，第一，合成PHAs的主要微生物包括光能和化学独立营养和从属营养细菌65个中有近300种微生物。目前正在研究PHAs合成中的更多微生物，包括碱菌属、假单胞菌、甲基营养菌、固氮菌、红鹿属等。可以使用不同的碳源创建不同的PHAs。大多数情况下，微生物可以通过使用糖和丙酸或缬氨酸生成PHBV，以及更改共聚物的HB和HV比率来控制。但是，丙酸或缬氨酸价格高，对细菌有毒，因此必须在培养液中降低浓度，产率和转化率不高，因此对生产不利。自20世纪90年代以来，有些属于红球菌、诺卡氏菌和巴替亚类的细菌可以使用葡萄糖或其他单碳源生成包含HB和HV的PHA。上世纪末，有人观测说，生产碱菌剂H16的异亮氨酸缺陷突变R8可以从果糖、葡萄糖等单一相关碳源生产PHBV。以果糖为碳源，共聚物占细胞干燥重量的47%。这一发现不仅为对PHA生物合成和调节机制的研究增添了新的内容，还为从低成本单碳源生产PHBV提供了新的方法。PHAs工业生产菌株的选择可以考虑多种因素，例如细菌利用廉价碳源的能力、生长率、均聚物的合成率、细胞内聚合体积累最多的程度等。正如英国ICI分别调查了azotobacter、methyl营养菌、methyloxygenase，首先放弃了azotobacter，该菌产生了多糖，降低了-hydroxybutyric acid (PHB)的产量第二，如果否定甲基营养菌，这种细菌的PHB产率不高，细胞内的PHB含量只有65%左右。第三，放弃甲醇，甲醇价格低，但转化系数低，经过研究，选择碱菌作为PHAs的生产菌株。因为该菌株生长迅速，易于培养，细胞内PHB含量高，聚合物的分子量大，可以利用各种经济碳源。二是合成PHAs的主要基质1。糖碳源可用于葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等PHA的工业生产。(1)葡萄糖产碱菌的野生菌株H16利用果糖积累PHB，利用葡萄糖的变种已经用于PHB的工业生产。像库姆这样的细胞密度培养法通过在线葡萄糖浓度调控使菌体均衡生长到70g/L，然后PHB，50h细胞浓度达到164g/L，干细胞内PHB为76%，发酵液中PHB为121g/L，PHB生产强度为2.42g/(Lh)，是目前世界上最高的记录，(2)蔗糖和糖蜜肥大生产碱菌可以利用蔗糖积累-羟基丁酸(PHB)，成批饲料培养积累的PHB为60g/L以上，目前试制水平为15m3反应器每周生产1tPHB。这种细菌的特点是生长快、便宜的甜菜或甘蔗糖蜜，细胞生长与PHB积累同步。但是用糖蜜作为矩阵仍然有争议。以甜菜糖蜜为基质的价格判断为葡萄糖的二分之一，ICI认为糖本身价格低，但杂质多，提高PHB积累的难度，为了提高PHB含量，需要精炼糖蜜原料，因此成本更高。如果使用糖蜜，以后就很难提取(粘度大、需要脱色等)，糖蜜是季节性产品，储存和运输都不容易，糖蜜糖度低(通常在糖分的50%以下)，用于制造细胞的高密度培养必须添加纯糖，这也会影响成本，因此综合使用糖蜜的总效用，糖蜜本身的价格便宜，在实际生产中使用也很困难。2 .甲醇甲醇是最便宜的基质之一，但由于甲醇菌没有充分积累PHB含量，PHB回收工艺成本增加，PHB的分子量更小，ICI放弃了这一途径。但是甲醇的价格低，寻找新菌株和开发更有效的培养方法仍然很有吸引力。利用像库姆这样的有机甲基隐喻的微机辅助自动饲料分批培养系统中，以钾限制条件(25mg/l)批量生产PHB，甲醇浓度保持在2-3g/L时，在不抑制细胞生长的情况下培养70h细胞浓度达到250g/L，是当今高密度培养中PHB细胞浓度最高的记录。3 .一些爆炸性气体细菌，例如气体H2/CO2/O2真菌，可以利用H2/CO2/O2生成-羟基丁酸(PHB)，其中H2是能量源，CO2是碳源。H2是干净的可再生资源。同化CO2制造生物降解塑料可以同时解决温室效应和废弃的可降解塑料的危害等两个严重的环境污染问题。但是从技术上来说，必须解决混合煤气爆炸的安全问题和煤气回收问题。在气质气相中，将氧气浓度控制在气体爆炸下限(6.9%)以下是安全的，循环气体的闭路培养系统可以有效地利用气体。田中等研究了利用H2/CO2/O2的高密度培养生产PHB的最新结果，在氧限制条件下培养了40h，细胞浓度和PHB浓度分别达到91.3g/L和61.9g/L。4 .烷烃及其衍生物假单胞菌可利用中间链长度的烷烃或其衍生物醇、酸等生成中间链长度的羟基烷酸的共聚物(PHAMCL)，共聚物的单体组成与基体碳膜的长度有关。铜绿假单胞菌继续以基质培养辛烷值，优化培养基，提高氧传递率，将稳定状态细胞浓度提高到11.6g/L，以氧传递非常有效的反应器为批次补充剂进行培养，38h细胞浓度占细胞干重量的33%。通过纯氧适应细胞的氧气需要，分苦培养45h，细胞浓度为41.8g/L，PHA占细胞干重量的37.1%。iii，PHAs代谢途径和调控研究表明，许多微生物在碳源过剩和其他营养成分(如氮、磷、镁或氧不足)中作为碳源和能量储存物，可以在细胞内大量积累聚-羟基烷酸。限制营养素再供给后，PHAs可以被细胞内的酶分解，用作碳源和能源。细胞中累积的PHAs以个别粒子的形式存在，不同微生物细胞中的粒子数和粒子大小不同。在产碱菌的过程中，每个细胞包含8-10个颗粒，每个颗粒的直径为0.2-0.5米。在电子显微镜下观察到的内容物具有很高的折射性，粒子复盖在外面，没有像生物膜一样的典型双层结构，膜中含有PHAs合成酶分解酶系统。PHAs除了在微生物饥饿状态下用作碳源和能源外，在诸如渗透、脱水或紫外线暴露等其他环境压力条件下，对微生物的生存起着重要作用。通常，包含PHAs的细胞微生物在恶劣环境下的存活率比不包含PHAs的细胞高。最近的研究表明，除了作为细胞内储藏物的生理作用外，PHAs还是细胞膜的结构化合物。微生物合成PHAs的方法不同，矩阵不同，其合成途径也不同，这是微生物代谢多样性的一种表现。在不同的微生物中使用不同的基质合成PHA的主要方法是：(1)碱性细菌和大部分细菌以糖为基质合成PHB(2) rhodobacter以糖为基质合成PHB。(3)铜绿假单胞菌具有与矩阵链长度相关的HA单位的PHA为了合成，使用重链碳氢化合物、酒精和酸。(4)碱生产菌株利用长链碳酸酐脂肪酸合成PHB。(5)铜绿假单胞菌等使用糖碳源合成具有重链HA单位的PHA。(6)利用生产碱菌等糖和丙酸合成PHBV。PHB在生产碱菌的微生物和许多微生物中已经通过三阶段反应从阿科阿合成。首先，生物合成-酮硫酯酶催化两个酰基CoA的C-C键。二是依赖NADPH的酰基酰亚胺酶催化D(-)3-羟基丁酸菌的生成。第三，D(-)3- hydroxybutylcoa被PHB聚合