1、第五讲 生物可降解塑料,第一节 可降解塑料概述 第二节 PHAs的结构,物理化学性质和应用 第三节 PHAs的生物合成 第四节 PHAs的生物降解 第五节 PHAs的工业化,第一节 可降解塑料概述,工业、农业、建筑业、日常生活都与塑料密切相关,普通塑料是以合成树脂为主的化学合成材料。,塑料垃圾 ！,分类垃圾箱,1 普通塑料对环境污染具有以下特点,（1）污染范围广。江河湖泊、山川田野。 （2）污染物增长量快。统计：全世界每年的塑料需求量1亿吨，倾入海洋的塑料垃圾达数10万吨。我国：1985年农用薄膜30万吨1990年农用薄膜50万吨。1995年农用薄膜88万吨。 美国专家估计全世界每10年将增加
2、1倍。,（3）处理难耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解。 埋地百年不烂；燃烧产生大量有毒气体。,各种塑料及相近制品在环境中被预期降解的时间,（4）回收利用难种类多，填料、染料多样，难以分拣回收。 （5）对生态环境危害大地膜降低部分耕地质量，农作物植株矮小、抗病力差残膜对周围环境、畜牧业、养殖业有很大影响。,问题如何解决？,2 生物可降解塑料代替石油化工合成塑料,意大利1991年立法规定所有包装用塑料都必须生物可降解。,聚-羟基烷酸（简称PHAs）采用微生物发酵法生产，已成为环境生物学研究的热点。,PHAs族中研究和应用最广泛的多聚体： （1）聚羟基丁酸（简称PHB） （2）3羟基丁酸与3羟基戊酸的
3、共聚物 简称P(3HB-co-3HV)或PHBV,具有生物可降解和生物可相容性。 PHAs制作的香波瓶，9个月基本完全降解。 石油合成塑料制的香波瓶，完全降解需100年。,PHAS在避免、减少塑料废物对环境的污染上具有深远的意义。,第二节 PHAs的结构、物理化学性质 和应用,一 微生物体内的PHAs,PHAs是多种微生物细胞内的储存物（碳源能源） 特性：低溶解性高分子量细胞内的积累不会引起渗透压的增加。,二 PHAs的结构,R为不同链长的正烷基（支链、不饱和、带取代基） R为甲基，单体羟基丁酸HB R为乙基，单体羟基戊酸HV R为丙基，单体羟基己酸HC R为丁基，单体羟基庚酸HH R为戊基，
4、单体羟基辛酸HO R为己基，单体羟基壬酸HN R为庚基，单体羟基癸酸HD,特定条件，两种或两种以上单体形成共聚物 3HB和3HV组成的共聚物3HB-co-3HV 或写成PHBV.,目前仅针对PHB、PHBV两种共聚物进行研究。,三 PHAs的物理化学性质,1 线状的羟基烷酸的聚酯。 2 PHB是高度结晶的晶体。结晶度范围5580 3 熔点、玻璃态温度、抗张强度与聚丙烯（PP）相似。 4 相对密度大，抗紫外线 5 具有光学活性,PHAs和聚丙烯（PP)的性质比较,四 PHAs的应用,在原核生物和真核生物中发现含有100200个单体的小分子量PHB，其作用作为细胞膜的离子通道组成。 人体血浆中检测
5、到PHB的存在。 因此，植入哺乳动物组织内的PHB不会对机体产生毒性。,能否对机体产生毒性？,PHB的工业化应用存在缺点：,1 PHB较差的融化稳定性分解温度（200）与溶化温度（175）相近。 克服措施：发酵时加入3HV的前体合成PHBV共聚体将PHB与其它多聚物混合。 2 在环境条件储存数日，PHB易发脆，老化。 克服措施：简单的淬火处理解决。,第三节 PHAs的生物合成,一 合成PHAs的主要微生物,1 PHAs的发现及形成机制 PHB最初由 Lemoigne于1925年首先发现。从巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium)分离鉴定。阐明该菌形成芽孢时产生PHB。20世纪50
6、年代，发现PHB的生成量随培养基中碳氮比的增加而增加,产生PHAs的微生物 计65属，近300种。用的较多的有： 产碱杆菌属（Alcaligenes) 假单胞菌属（Pseudonomas） 固氮菌属（Azotobacter） 红螺菌属（Rhodospirilum）,选择工业生产PHAs的菌种考虑的因素：,能利用廉价碳源的能力 生长速率问题 多聚物合成速率 在细胞内最大量积累多聚物的能力,英国ICI公司进行考察，发现：,固氮菌：产生多糖，PHB的比产率降低，技术问题。 甲基营养菌：PHB产率中等。 真养产碱杆菌：生长快，易培养、胞内PHB含量高、聚合物分子量大并能利用各种较经济的能源。,最终选择
7、了真养产碱杆菌（A . eutrophus）,ICIImperial Chemical Industries帝国化学工业公司,带有A.eutrophus PHB合成基因的 重组E.coli 成为新的选择！,生产PHB(V)的A.eutrophus 和重组E.coli 特点,二 合成PHAs 的主要基质,1 糖质碳源 2 甲醇 3 气体（H2 、CO2、 O2 ） 4 烷烃及其衍生物,葡萄糖 A.eutrophus的变异株利用葡萄糖已用于工业生产PHB。Kim等人采用细胞密度培养的方法，50h细胞浓度达164g/L，干细胞中 PHB含76，PHB生产强度为2.42g/(L.h).,1 糖质碳源,
8、重组E.coli 利用丰富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培养基培养，42h细胞浓度达117g/L，PHB占细胞干重76，PHB生产强度2.11g/(L.h) 降低成本，用合成培养基培养35h，细胞浓度为71.4g/L，PHB干重22.8。即 在合成培养基上不能大量积累PHB。 在合成培养基上加有机氮源，改进方法，细胞浓度达116g/L，PHB干重达62.2。,蔗糖和糖蜜,带有稳定高拷贝数的pSYL104质粒的重组E.coli 能利用蔗糖生产PHB。 在含蔗糖的合成培养基中采用恒定pH的分批补料方式培养48h，细胞浓度达124.6g/L, PHB浓度34.3g/L。加有机氮可以改善。 利用糖蜜原料有困难
9、：杂质多，PHB难积累。需精制后使用。,2 甲醇,甲醇是最便宜的基质之一。 甲醇菌积累PHB含量不高，加大了回收成本；获得的PHB的分子量较小。故放弃该路线。 但，可以寻求新的菌种和开发更有效的培养方法。,3 气体（H2 、CO2、 O2 ）,A.eutrophus 能利用H2/CO2/O2 产生PHB，CO2作碳源，H2作能源。 优点：价格和产率在经济上有益。H2是可再生能源缓解温室效应 缺点：混合气体爆鸣的安全性问题气体的循环利用。,4 烷烃及其衍生物,假单胞菌能利用中等链长的烷烃或其衍生物生产中等链长的共聚物PHAs。,基质价格、PHB产率和生产PHB时的基质成本,第四节 PHAs的生物
10、降解,一 降解机制,1 胞内降解(PHB）,PHB,单体（D-3-HB） 二聚体,乙酰乙酸,乙酰乙酰CoA,乙酰CoA,三羧酸循环,2 胞外降解, 无菌条件水解对PHB在医疗上的应用特别重要作为缓适载体、手术缝线等,在自然环境中的酶降解外解聚酶,PHB解聚酶性质比较,注：PMSF为氟化磺酸苯甲烷，DTE 为二硫赤鲜糖醇,二 PHB在环境中的降解,环境类型、微生物种群、活力、水分、温度、塑料制品厚度、表面组织形态、制品中的填充料等影响降解。,J.Mergaertd等在土壤中发现有295种微生物可降解PHB，包括105种革兰氏阴性菌，36种革兰氏阳性菌，68种放线菌，86种霉菌。 Y.Doi等在研
11、究了环境对PHB降解的影响后认为，在一定范围内PHB降解速度与温度成正比。 通常，PHB厌氧降解比有氧降解快,PHB在不同环境条件下的生物降解,各种PHA膜的有氧降解情况,随着石化合成塑料的污染加剧，人们正积极进行各种生物可降解塑料的研究。 目前利用遗传工程手段，将PHB胞外降解酶基因进行克隆表达。如Saito等分析了粪产碱杆菌的PHB胞外解聚酶结构基因序列，并将其克隆到大肠杆菌中。发现重组菌可以较高水平地表达该酶，该酶由一个488个氨基酸的前体和一个27个氨基酸的单肽组成。,第五节 PHAs的工业化,一 影响PHAs工业化的因素,PHAs 作为一种生物可降解的热门塑料材料，早在20世纪60年
12、代已引起人们广泛关注。 1962年，Baptist在美国申请了有关PHA生产的专利。 20世纪80年代初，英国ICI公司和奥地利生物技术有限公司等将微生物合成PHAs的研究推向试生产阶段。 但是PHB与聚丙烯的价格相比仍高出许多，缺乏相应的市场竞争能力，还必须在菌种、发酵方式、提取方法等方面进行不懈的努力。,影响PHB（V）成本和质量的主要因素,二 国内外研究PHAs的水平,（1）采用分子生物学手段，改变细胞特性，进行微生物菌种的改良。 （2）发酵生产技术研究（流加发酵、高密度培养） （3）新型反应器研制，降低能耗。 （4）产品提取工艺开发。,1 研究的主要方面,2 国外的研究,国外进行PHA
13、s工业化生产和应用的公司,由于商业竞争的原因，有关PHAs的发酵生产的关键技术的研究报道非常少。 1990年，Bital等断言，只有发酵时间小于70h, PHAs 含量大于80，在商业上才是可以被接受的。截至2000年文献，以葡萄糖为碳源培养A.eutrophus所得的PHAs含量最高为77。,3 国内的研究,起步于20世纪80年代中后期，已将其列入“九五”项目，在“九五”期间完成中试。 目前国内的研究单位有： 中国科学院微生物所、山东大学、中国农业大学、无锡轻工业大学。 总体上，与国外比有大的差距，对PHAs产生菌的细胞生长和产物合成的动力学缺乏全面的研究。,4 展望,（1）生产菌种方面。 （2）在发酵工艺方面 （3）提取、生物降解和应用方面,工作重点,不久的将来，PHAs将可能通过植物种植的方式生产，其成本将与玉米等农作物相近。一些性能更好的PHAs将应用于医学材料等领域。 让我们期待着塑料废物污染问题的早日解决。,Thank you for your attention ！,
