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2021-7-25无机生物材料Contents生物降解材料概况生物降解材料概况1生物降解材料的种类与性能生物降解材料的种类与性能2生物降解材料的降解机理生物降解材料的降解机理3生物降解材料的应用范围生物降解材料的应用范围4面临的问题和解决办法面临的问题和解决办法6生物降解材料发展趋势生物降解材料发展趋势522021-7-25无机生物材料生物降解材料概况生物降解材料概况 生物降解材料是20世纪80年代后随着环境、能源等矛盾的凸显而发展起来的新型材料，作为一种可自然降解的材料，在环保方面起到了独特的作用，其研究和开发已得到迅速发展，作为解决“白色污染”最为有效的

2、途径，已引起环境专家、材料学家及更多领域人士的关注。 据美国ASTM（材料和实验协会）定义：生物降解材料是在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下能发生化学、生物或物理作用而降解或酶解的高分子材料。32021-7-25无机生物材料生物降解材料的种类与性能生物降解材料的种类与性能主要包括聚-羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基戊酸酯等，它们同属于聚羟基烷酸酯(PHA)。其中，聚羟基丁酸是低毒材料，目前已被用于药物控释、缝合线和人工皮肤等。大多是在分子结构中引入酯基的脂肪族聚酯，其制备方法主要包括缩合聚合和开环聚合。由生物体内提取或自然环境中直接得到的一类大分子，具有良好的生物相容性和可降解性，但机械

3、性能较差。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，只能通过开但高分子量的聚酯，只能通过开环聚合方法合成，因为缩聚反应环聚合方法合成，因为缩聚反应受反应程度和反应过程中产生的受反应程度和反应过程中产生的水的影响，很难获得高分子量的水的影响，很难获得高分子量的产物。目前已开发的主要产品有产物。目前已开发的主要产品有聚乳酸聚乳酸(PLA)、聚己内酯、聚己内酯(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。

4、按照结构与组成，可分为天按照结构与组成，可分为天然蛋白质、多糖及其衍生物，然蛋白质、多糖及其衍生物，此外还包括一些生物合成聚此外还包括一些生物合成聚酯。典型的蛋白类、多糖类酯。典型的蛋白类、多糖类物质及其衍生物有胶原、胶、物质及其衍生物有胶原、胶、环糊精、淀粉、葡聚糖、壳环糊精、淀粉、葡聚糖、壳壳糖、透明质酸、纤维素、壳糖、透明质酸、纤维素、海藻酸衍生物、硫酸软骨素海藻酸衍生物、硫酸软骨素和肝素等。和肝素等。2021-7-25无机生物材料生物降解材料的可降解机理生物降解材料的可降解机理由于生物细胞由于生物细胞增长而使聚合增长而使聚合物组分水解、物组分水解、电离或质子化电离或质子化而发生机械性而

5、发生机械性破坏，分裂成破坏，分裂成低聚物碎片低聚物碎片微生物侵蚀导微生物侵蚀导致材料分裂致材料分裂或氧化崩裂或氧化崩裂微生物对聚合微生物对聚合物作用而产生物作用而产生新物质新物质(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发生降解、同化的过程。发料在生物作用下发生降解、同化的过程。发挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉菌或藻类，降解机理主要可分为菌或藻类，降解机理主要可分为3 3类：类：62021-7-25无机生物材料生物降解材料的应用范围生物降解材料的应用范围生物降解材料生物降

6、解材料的应用范围的应用范围环保领域环保领域水资源环境领域食品容器和包装行业农林业方面医学领域医学领域外科手术缝合线药物缓释剂骨固定材料人造皮肤72021-7-25无机生物材料 生物降解材料发展趋势生物降解材料发展趋势聚羟基脂聚羟基脂肪酸酯肪酸酯淀粉淀粉聚乳酸聚乳酸聚己聚己内酯内酯聚丁二聚丁二酸丁二酸丁二醇酯醇酯五大热门可降五大热门可降解材料解材料近年来比较活跃近年来比较活跃8最理想的生物可降解材料是利用可再生资源，即利用生物合成的方法得到的生物材料。这种生物材料可以被生物所重新利用，能够降解，产物最好是二氧化碳和水，从而使这种材料的生产和使用纳入自然界的循环。2021-7-25无机生物材料 生

7、物降解材料发展趋势生物降解材料发展趋势 淀粉及其衍生物因为生物降解性好，价格低廉而淀粉及其衍生物因为生物降解性好，价格低廉而被改性作为填充塑料的重点，并且其接枝物在很多方被改性作为填充塑料的重点，并且其接枝物在很多方面具有广泛的应用前景。利用植物中的淀粉、纤维素面具有广泛的应用前景。利用植物中的淀粉、纤维素和木质素等，以及利用动物中的壳聚糖、氨基葡聚糖、和木质素等，以及利用动物中的壳聚糖、氨基葡聚糖、动物胶，以及海洋生物的藻类等，可制造有价值的生动物胶，以及海洋生物的藻类等，可制造有价值的生物可降解聚合物。高含量淀粉基聚合物则可以做为完物可降解聚合物。高含量淀粉基聚合物则可以做为完全生物降解型

8、聚合物。因而，将淀粉改性后，与聚己全生物降解型聚合物。因而，将淀粉改性后，与聚己内酯等生物合成的降解聚合物共混，以此来提高材料内酯等生物合成的降解聚合物共混，以此来提高材料的降解性和力学性能，已经成为当前生物降解材料研的降解性和力学性能，已经成为当前生物降解材料研究的热点之一。究的热点之一。淀粉淀粉10淀粉应用淀粉应用2021-7-25无机生物材料11环保玉米淀粉牙签环保玉米淀粉牙签 淀粉的用途十分广泛,可制作粘胶,塑料,食品等多种产品。如名菜猪肉炖粉条是用红薯淀粉做的，龙口粉丝是用绿豆淀粉做的。淀粉牙签一般是用玉米和绿豆的淀粉制成。 淀粉牙签经济环保，能避免大量森林资源被砍伐，它是国际绿色工

9、业浪潮的必然产物，具有很强的市场潜力和竞争力。 生物降解材料发展趋势生物降解材料发展趋势 由生物合成的聚乳酸可作为天然生物材料，由生物合成的聚乳酸可作为天然生物材料，它是由生物发酵产生的乳酸经人工化学合成而它是由生物发酵产生的乳酸经人工化学合成而得到的聚合物，但仍保持着良好的生物相容性得到的聚合物，但仍保持着良好的生物相容性和生物可降解性，具有与聚酯相似的防渗透性，和生物可降解性，具有与聚酯相似的防渗透性，同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、透光性和同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、透光性和加工性。加工性。2021-7-25无机生物材料聚乳酸聚乳酸12 减少给药次数 和给药量2021-7-25无机生

10、物材料生物降解材料存在的主要问题生物降解材料存在的主要问题价格昂贵，不易推广应用价格昂贵，不易推广应用加工困难，尚未完全达到实用阶段加工困难，尚未完全达到实用阶段降解可控、回收利用等技术不足降解可控、回收利用等技术不足尚无统一评价方法和标准尚无统一评价方法和标准人工合成，工艺复杂、性能不稳定人工合成，工艺复杂、性能不稳定142021-7-25无机生物材料解决办法解决办法1对生物降解塑料产品的应用和发展采取补贴政策，包括中央政府补贴和地方政府补贴。中央财政可采用科技攻关资金、贴息等补贴方式2对利用生物质原料生产生物降解塑料的企业，国家考虑采用低息贷款政策、技术改造专项贷款、信用担保政策等来鼓励产

11、业发展3为促进行业发展应制定关税优惠税率。为鼓励和扶持一些企业的发展，可以按照新的企业所得税条例规定减免优惠政策15生态环境材料的几个方面生态环境材料的几个方面 1.生物降解材料生物降解材料 2.绿色包装材料绿色包装材料 3.仿生材料仿生材料生态环境材料生态环境材料生态环境材料生态环境材料v提出背景提出背景资源短缺资源短缺能源过度消耗能源过度消耗生态环境恶化生态环境恶化一、生态环境材料的定义一、生态环境材料的定义资源、能源消耗少 环境污染小再生循环利用率高生态环境材料是指那些生态环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优良的环境协调性的优良的环境协调性的材料。材料。可降解化可循

12、环利用生态环境材料生态环境材料:实质上是赋予传统结构材料、功能材料以优异环境协调性实质上是赋予传统结构材料、功能材料以优异环境协调性的材料，它要求材料工作者在环境意识指导下，开发新型的材料，它要求材料工作者在环境意识指导下，开发新型材料，或改进、改造传统材料。材料，或改进、改造传统材料。具有良好的使用功能具有良好的使用功能 具有效高资源利用率具有效高资源利用率对生态环境无副作用对生态环境无副作用生态环境的三个重要特征生态环境的三个重要特征生态环境材料是人类主动考虑材料对生态环境的影响而开发的材料。这就涉及材料的环境负荷。材料的环境负荷就是材料在其整个寿命材料的环境负荷就是材料在其整个寿命周期中

13、对人类的生存和生活环境的影响，周期中对人类的生存和生活环境的影响，这些影响主要是指资源、能源的消耗及这些影响主要是指资源、能源的消耗及污染环境的废弃物的排放。污染环境的废弃物的排放。在生态环境材料的开发中，包括从设计、在生态环境材料的开发中，包括从设计、生产、使用、废弃、回收各个阶段，都生产、使用、废弃、回收各个阶段，都要考虑生态环境问题，力求降低材料的要考虑生态环境问题，力求降低材料的环境负荷。环境负荷。生态环境材料的分类生态环境材料的分类 生态环境材料的几个方面：生态环境材料的几个方面：v纯天然材料的开发和利用纯天然材料的开发和利用v环境兼容性涂层材料环境兼容性涂层材料v汽车尾气净化用催化

14、剂材料汽车尾气净化用催化剂材料v生物降解材料生物降解材料v生态建筑材料生态建筑材料v绿色包装材料绿色包装材料v仿生材料仿生材料v降低环境负担性的材料加工工艺和技术降低环境负担性的材料加工工艺和技术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进降解的添加降解材料：在材料中加入某些能促进降解的添加剂制成的材料、合成本身具有降解性能的材料以剂制成的材料、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、霉菌和细菌等作用生物降解材料：材料被真菌、霉菌和细菌等作用消化吸收的过程。消化吸收的过程。完全生物

15、降解完全生物降解生物破坏型材料生物破坏型材料生物降解材料生物降解材料 CCCC键不能酶解与水解，键不能酶解与水解，要断键除非光解与氧化，要断键除非光解与氧化，聚乙烯实际上只是成为聚乙烯实际上只是成为碎片留存于土壤中。碎片留存于土壤中。生物破坏型材料完全生物降解材料 多糖类天然高聚物主多糖类天然高聚物主要有要有 淀粉、纤维淀粉、纤维素、壳聚糖、木质素、素、壳聚糖、木质素、果胶及它们的衍物。果胶及它们的衍物。2.2.绿色包装材料绿色包装材料针对发展绿色包装提出了针对发展绿色包装提出了“ 3R1D ” 原则，原则， 即即Reduce（减量化），（减量化），Reuse（重复使用），（重复使用），Rec

16、ycle （再循环）、（再循环）、Degradable（可降解（可降解）。）。 食品包装材料：食品包装材料：壳聚糖壳聚糖v 物理特性：白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，分子量从几物理特性：白色无定型、半透明、略有珍珠光泽的固体，分子量从几十万到几百万不等；十万到几百万不等；N N一脱乙酰度和粘度是它的两项主要性能指标它一脱乙酰度和粘度是它的两项主要性能指标它们影响着壳聚糖的其他一些性质。另外，甲壳素和壳聚糖都具有复杂们影响着壳聚糖的其他一些性质。另外，甲壳素和壳聚糖都具有复杂双螺旋结构，它们的结构单元都是二糖。双螺旋结构，它们的结构单元都是二糖。v 化学特性：壳聚糖分子链的糖残基上既有羟

17、基，又有氨基，因此，酰化学特性：壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，因此，酰化反应既可以在羟基上发生，生成酯，也可以在氨基上发生反应，生化反应既可以在羟基上发生，生成酯，也可以在氨基上发生反应，生成酰胺；壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应，导入成酰胺；壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应，导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。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、生物活性或者与生物体相容的仿生材料：人工制造的具有生物功能、生物活性或者与生物体相容的材料。材料。仿生物材料在生物兼容性的基础上，从材料的制备到应用都与仿

18、生物材料在生物兼容性的基础上，从材料的制备到应用都与环境、人体有着自然的协调性。环境、人体有着自然的协调性。 组织工程材料：用于取代某些生物体组织器官或恢复、维组织工程材料：用于取代某些生物体组织器官或恢复、维持以及改善其功能的一类仿生物材料。常见的组织工程材持以及改善其功能的一类仿生物材料。常见的组织工程材料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组料包括组织引导材料、组织诱导材料、组织隔离材料、组织修复材料和组织替换材料等。织修复材料和组织替换材料等。仿生智能材料：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动仿生智能材料：指能模仿生命系统，同时具有感知和驱动双重功能的材料。双重功能的材料。

19、定义：定义： 生物质材料，是用木材、竹材、棉、麻及农业剩余物等天然植物纤维，与各种来源于植物资源、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)、聚己内酰胺(PCL)等，通过共混、挤出、热压、注塑等工艺，制备的生物质复合材料，是一种环境完全友好的生物质复合材料。 二、生物质材料概述二、生物质材料概述LOGO29可降解塑料的生物合成可降解塑料的生物合成第一节第一节 可降解塑料概述可降解塑料概述第二节第二节 PHAs的结构、物理化学性质和应用的结构、物理化学性质和应用30第一节第一节 塑料废物污染和可降解塑料塑料废物污染和可降解塑料v 二十世纪七十年代以来塑料工业得到迅猛的

20、发展，无论是二十世纪七十年代以来塑料工业得到迅猛的发展，无论是工业、农业、建筑业，还是人们的日常生活无不与塑料密工业、农业、建筑业，还是人们的日常生活无不与塑料密切相关。切相关。v 化学合成塑料在自然环境中很难分解，亦不会被腐蚀，燃化学合成塑料在自然环境中很难分解，亦不会被腐蚀，燃烧处理又会产生有害气体，塑料垃圾对环境造成了巨大的烧处理又会产生有害气体，塑料垃圾对环境造成了巨大的危害。危害。31普通塑料对环境污染的特点普通塑料对环境污染的特点成分为合成树脂成分为合成树脂(1)污染范围广污染范围广(2)污染物增长量快。污染物增长量快。 全世界每年对塑料的需求量为1亿吨。 美国专家估计每10年产量

21、将增加1倍。 1995年我国的塑料需求量为600万吨，其中对环境有威胁的地膜为88万吨，包装用品为150-200万吨。 美国、日本的塑料垃圾占垃圾总量的7%。32普通塑料对环境污染的特点普通塑料对环境污染的特点-续续(3) 处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特性，埋地处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体的特性，埋地处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体，如，如HCl、SOx、CO等。等。33普通塑料对环境污染的特点普通塑料对环境污染的特点(4)回收利用难。塑料制品种类多，填料、颜料多样，难以回收利用难。塑料制品种类多，填料、颜料多样，难

22、以分拣回收再利用。分拣回收再利用。(5)生态环境危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小生态环境危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小，抗病力差。，抗病力差。34v 研究和开发生物可降解塑料已迫在眉捷研究和开发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 如意大利已立法规定自1991年起所有包装用塑料都必须生物可降解，我国也已开始考虑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国内外出现的生物可降解塑料PCL-聚已内酰胺聚已内酰胺;PVA-聚乙烯醇聚乙烯醇;PE-聚乙

23、烯聚乙烯36生物可降解塑料的特点生物可降解塑料的特点v工艺简单工艺简单v生产过程污染轻生产过程污染轻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可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境条件条件37第二节、第二节、PHAs的生物合成与应用的生物合成与应用v 采用微生物发酵法生产的聚采用微生物发酵法生产的聚-羟基烷酸羟基烷酸(简称简称PHAs)，成为，成为应用环境生物学方面的一个研究的热点应用环境生物学方面的一个研究的热点 聚-羟基丁酸PHB 3-羟基丁酸与3-羟基戊酸的共聚物P(3HB-co-3HV)或PHBV38vPHAs除具有高分子化合

24、物的基本特性，如质轻除具有高分子化合物的基本特性，如质轻、弹性、可塑性、耐磨性、抗射线等外，还具有、弹性、可塑性、耐磨性、抗射线等外，还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-羟基烷酸羟基烷酸)香波瓶100年个月合成塑料PHAs原料原料降降解解39一、一、PHAs的结构、物理化学性质和应用的结构、物理化学性质和应用v 多种微生物在一定条件下能在胞内积累多种微生物在一定条件下能在胞内积累PHAs(聚聚-羟羟基烷酸基烷酸)作为碳源和能源的贮存物。作为碳源和能源的贮存物。v 由于由于PHAs具有低溶解性和高分子量，它在胞内的积累具有低溶解性和高分子量，它在胞内的积

25、累不会引起渗透压的增加，是理想的胞内贮藏物，比糖原不会引起渗透压的增加，是理想的胞内贮藏物，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的通式可写成：的通式可写成：2_ _ _ _ _RC_On_ _OCH CH单体数目40v 每个每个PHAs颗粒含有数千条多聚体链。这些多聚物的颗粒含有数千条多聚体链。这些多聚物的物理化学性质和机械性能如韧度、脆性、溶点、玻璃物理化学性质和机械性能如韧度、脆性、溶点、玻璃态温度和抗溶剂性等与单体的组成有极大的关系。态温度和抗溶剂性等与单体的组成有极大的关系。 例如PHBV共聚物中羟基戊酸组分的增加可使熔

26、点从180(PHB均聚物)降至75(PHBV共聚物中HV组分的摩尔分数为3040%) 。PHAs (聚-羟基烷酸)的结构、物理化学性质41v 大多数有关细菌大多数有关细菌PHAs的物化性质的研究是针对的物化性质的研究是针对PHB和和PHBV两种聚合物进行的。两种聚合物进行的。v PHB是高度结晶的晶体，结晶度的范围在是高度结晶的晶体，结晶度的范围在5580%，其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯，其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯(PP)很相似很相似，例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而，例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而比重大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性比重大、透

27、氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阻湿性等则是、阻湿性等则是PHB的优点，见表的优点，见表7-2-1。PHAs (聚-羟基烷酸)的结构、物理化学性质-续4243PHB的工业化应用主要存在两个缺点的工业化应用主要存在两个缺点v PHB较差的熔化稳定性，其分解温度约为较差的熔化稳定性，其分解温度约为200 ，该温度与其熔点相近该温度与其熔点相近(约约175 )； 可通过在发酵过程中加入3HV的前体合成PHBV共聚体或将PHB与其它多聚物相混合使用来解决；v 在环境条件下贮存数日后，在环境条件下贮存数日后，PHB易发脆。易发脆。 PHB的老化问题可通过简单的淬火处理来较大程度地解决。44PHAs

28、的应用的应用shampoo 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的主要基质的主要基质vPHAs的代谢途径与调控的代谢途径与调控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的发现及形成机制的发现及形成机制 PHB最初由最初由 Lemoigne于于1925年首先发现。从年首先发现。从巨大芽孢杆菌巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium)分离鉴定。分离鉴定。阐明该菌阐明该菌形成芽孢时产生形成芽孢时产生PHB。 20世纪世纪50

29、年代，发现年代，发现PHB的生成量的生成量随培养基中随培养基中碳氮比的增加而增加碳氮比的增加而增加47v 能产生能产生PHAs的微生物分布极广，包括光能和化能自养的微生物分布极广，包括光能和化能自养及异养菌计及异养菌计65个属中的近个属中的近300种微生物。种微生物。v 目前研究的较多的微生物：目前研究的较多的微生物： 产碱杆菌属(Alcaligenes europhus, 现在更名为Ralstonia eutropha) 假单胞菌属(Pseudonomas) 甲基营养菌(Methylotrophs) 固氮菌属(Azotobacter) 红螺菌属(Rhodospirilum)（一）合成PHAs

30、的主要微生物48表表7-4 各种微生物利用不同碳源合成各种微生物利用不同碳源合成PHVs的情况及水平比较的情况及水平比较 49选择工业生产选择工业生产PHAs的菌种考虑的因素：的菌种考虑的因素：能利用廉价碳源的能力能利用廉价碳源的能力生长速率问题生长速率问题多聚物合成速率多聚物合成速率在细胞内最大量积累多聚物的能力在细胞内最大量积累多聚物的能力50英国英国ICI公司进行考察，发现公司进行考察，发现：固氮菌固氮菌：产生多糖，：产生多糖，PHB的比产率降低，技术问题。的比产率降低，技术问题。甲基营养菌甲基营养菌：PHB产率中等。产率中等。真养产碱杆菌真养产碱杆菌：生长快，易培养、胞内：生长快，易培

31、养、胞内PHB含量高、含量高、聚合物分子量大并能利用各种较经济的能源。聚合物分子量大并能利用各种较经济的能源。最终选择了最终选择了 真养产碱杆菌（真养产碱杆菌（A . eutrophus）ICIImperial Chemical Industries帝国化学工业公司帝国化学工业公司51v 真养产碱杆菌真养产碱杆菌(Ralstonia eutropha)为革兰氏阴性的为革兰氏阴性的兼性化能自养型细菌兼性化能自养型细菌 积累PHB可达细胞干重的90%以上 能利用糖加丙酸或戊酸产生P(3HB-co-3HV) 改变基质该菌还能将4HB和5HV结合到3HB的结构中去，形成4HB或5HV单体与3HB的共聚

32、物。v 采用带有真养产碱杆菌采用带有真养产碱杆菌PHB合成基因的重组大肠杆菌合成基因的重组大肠杆菌(E.coli) 。工业化生产PHAs的微生物52带有带有A.eutrophus PHB合成基因的重组合成基因的重组E.coli 成为新的选择成为新的选择！A.eutrophus重组重组E.coli1 生长快，容易培养（培养条件简单）生长快，容易培养（培养条件简单）2 胞内聚合物含量高胞内聚合物含量高3 聚合物分子量大聚合物分子量大4 提取相对较困难提取相对较困难5 生产共聚物较容易，易调节共聚比生产共聚物较容易，易调节共聚比6 分子量分布控制较难分子量分布控制较难7 已有工业化产品已有工业化产品

33、1 发酵周期短发酵周期短2 胞内聚合物积累量大胞内聚合物积累量大3 胞内无聚合物降解酶，分子量大胞内无聚合物降解酶，分子量大4 易于提取易于提取5 胞内聚合物颗粒大、结晶度高胞内聚合物颗粒大、结晶度高6 能利用多种碳源能利用多种碳源7 在复杂培养条件下，胞内聚合物才能高积在复杂培养条件下，胞内聚合物才能高积累。累。8 有较成熟的高密度细胞培养技术有较成熟的高密度细胞培养技术生产生产PHB(V)的的A.eutrophus 和重组和重组E.coli 特点特点53二二 合成合成PHAs PHAs 的主要基质的主要基质1 1 糖质碳源糖质碳源2 2 甲醇甲醇3 3 气体（气体（H H2 2 、COCO

34、2 2、 O O2 2 ）4 4 烷烃及其衍生物烷烃及其衍生物541 糖质碳源糖质碳源 葡萄糖葡萄糖A.eutrophus的变异株利用葡萄糖已用于工的变异株利用葡萄糖已用于工业生产业生产PHB。Kim等人采用等人采用细胞密度培养细胞密度培养的的方法，方法，50h细胞浓度达细胞浓度达164g/L，干细胞中，干细胞中 PHB含含76，PHB生产强度为生产强度为2.42g/(L.h)是目前世界上已报道的是目前世界上已报道的最高记录最高记录.55重组重组E.coli 利用丰富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培养基培养，利用丰富酵母膏、蛋白胨的葡萄糖培养基培养，42h细胞浓度达细胞浓度达117g/L，PHB占细胞

35、干重占细胞干重76，PHB生产强度生产强度2.11g/(L.h)降低成本，用合成培养基培养降低成本，用合成培养基培养35h，细胞浓度为，细胞浓度为71.4g/L，PHB干重干重22.8。即。即 在合成培养基上在合成培养基上不能大量积累不能大量积累PHB（乙酰（乙酰CoA不足）。不足）。在合成培养基上加有机氮源，改进方法，细胞浓在合成培养基上加有机氮源，改进方法，细胞浓度达度达116g/L，PHB干重达干重达62.2。56 蔗糖和糖蜜蔗糖和糖蜜带有稳定高拷贝数的带有稳定高拷贝数的pSYL104质粒的重组质粒的重组E.coli 能利用蔗糖生产能利用蔗糖生产PHB。在含蔗糖的合成培养基中采用恒定在含

36、蔗糖的合成培养基中采用恒定pH的分批的分批补料方式培养补料方式培养48h，细胞浓度达，细胞浓度达124.6g/L, PHB浓度浓度34.3g/L。加有机氮可以改善。加有机氮可以改善。利用糖蜜原料有困难：杂质多，利用糖蜜原料有困难：杂质多，PHB难积累。难积累。需精制后使用。需精制后使用。572、甲醇、甲醇v 甲醇是最便宜的基质之一，甲醇是最便宜的基质之一，v ICI拥有生产甲醇单细胞蛋白的技术经验，曾考虑用甲醇拥有生产甲醇单细胞蛋白的技术经验，曾考虑用甲醇作基质生产作基质生产PHB。甲醇菌积累。甲醇菌积累PHB含量不高，含量不高，PHB回回收成本大，获得的收成本大，获得的PHB的分子量较小，故

37、放弃该路线。的分子量较小，故放弃该路线。v 但可以作为寻求新的菌种和开发更有效的培养方法的途但可以作为寻求新的菌种和开发更有效的培养方法的途径。径。58593、气体、气体H2/CO2/O2v 真养产碱杆菌等一些爆鸣气细菌能利用真养产碱杆菌等一些爆鸣气细菌能利用H2/CO2/O2产生产生PHB，其中，其中H2作为能源，作为能源，CO2是碳源。是碳源。v 以以H2作为基质按其价格和产率而言作为基质按其价格和产率而言(见表见表1)在经济上在经济上是划算的，且是划算的，且H2又是一种干净的可再生资源。可以同又是一种干净的可再生资源。可以同时解决两个严重的环境污染问题：温室效应及废弃的时解决两个严重的环

38、境污染问题：温室效应及废弃的非降解塑料对生态环境的危害。非降解塑料对生态环境的危害。v 安全性问题：解决混合气体爆鸣的安全问题和气体的安全性问题：解决混合气体爆鸣的安全问题和气体的循环利用问题。控制基质气相中氧的浓度低于气体爆循环利用问题。控制基质气相中氧的浓度低于气体爆炸的下限炸的下限(6.9%)是安全的。是安全的。604、烷烃及其衍生物、烷烃及其衍生物v 假单胞菌能利用中等链长的烷烃或其衍生物醇、酸等假单胞菌能利用中等链长的烷烃或其衍生物醇、酸等产生中等链长羟基烷酸的共聚物产生中等链长羟基烷酸的共聚物(PHAMCL)，共聚，共聚物中单体的组成与基质碳架的长度有关。物中单体的组成与基质碳架的

39、长度有关。v 以 辛 烷 作 基 质 连 续 培 养 食 油 假 单 胞 菌以 辛 烷 作 基 质 连 续 培 养 食 油 假 单 胞 菌 ( P . oleovorans)，稳定态细胞浓度，稳定态细胞浓度11.6g/l，PHA的的生产强度为生产强度为0.58g/Lh，61（三）（三）PHAs的代谢途径与调控的代谢途径与调控vPHAs的产生机理的产生机理 微生物在碳源过量而其他营养如氮、磷、镁或氧不足时，积累大量PHAs作为碳源和能源的贮存物，或作为胞内还原性物质还原能力的一种储备。 当限制性营养物再次被提供时，PHAs能被胞内酶降解后作为碳源和能源利用。62 胞中积累的胞中积累的PHAs存在

40、形式存在形式 以单个粒子的形态存在，每个细胞含有的颗粒数量的大小随微生物种类而不同，在Ralstonia eutropha中，每个细胞含有8-10个颗粒，每个颗粒直径大小为0.2-0.5m； 以非晶体形式存在。具有高度的折光性，颗粒外面包裹着一层膜，没有生物膜那样的典型双层结构，膜中含有PHAs合成酶的降解酶系统。63PHAs的代谢途径的代谢途径n 不同微生物合成PHAs的途径不同，基质不同其合成途径也有差异(图7-2) 。真养产碱杆菌及多数细菌从糖合成PHB；深红红螺菌从糖合成PHB；食油假单孢菌等从链烃、醇及酸合成具有与基质链长有关的HA单位的PHAs；一株产碱杆菌从长链偶碳脂肪酸合成PH

41、B；铜绿假单孢菌等从糖质碳源(如葡萄糖酸)合成具中链HA单位的P HAs；真养产碱杆菌等利用糖加丙酸合成PHBV。64基因重组细菌基因重组细菌v 20世纪世纪80年代后期开始将重组年代后期开始将重组DNA技术应用于生物技术应用于生物合成合成PHB，来自于多种细菌的，来自于多种细菌的PHA生物合成酶生物合成酶PHA生物合成途径的关键酶，已被在分子水平进行了生物合成途径的关键酶，已被在分子水平进行了详细的研究，详细的研究， 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个实验室独立地将真养产碱杆菌个实验室独立地将真养产碱杆菌H16的的PHB生物合生物合成基因成基因phbA、p

42、hbB和和phbC克隆并在大肠杆菌中表克隆并在大肠杆菌中表达。达。65基因重组细菌基因重组细菌v 研究发现，在真养产碱杆菌中，研究发现，在真养产碱杆菌中，PHA合成酶的结构基因合成酶的结构基因排列在称为排列在称为phbC-A-B的一个操纵子上，分别编码的一个操纵子上，分别编码PHA合成酶、合成酶、-酮基硫酯酶和依赖于酮基硫酯酶和依赖于NADPH的乙酰乙酰的乙酰乙酰CoA还原酶还原酶(见图见图7-4)。66三、三、PHAs的发酵生产的发酵生产v PHAs实现大规模工业化生产的主要障碍是生产成本实现大规模工业化生产的主要障碍是生产成本。英国帝国化学公司。英国帝国化学公司(ICI)认为影响认为影响P

43、HAs生产成本生产成本的主要因素有的主要因素有 菌种 原料 操作方式 提取方法67因而降低因而降低PHAs的生产成本主要措施的生产成本主要措施v (1)采用廉价基质采用廉价基质(如如CO2、H2和和O2，甲醇，乙醇，甲醇，乙醇，葡萄糖及来自农业废物的有机酸等葡萄糖及来自农业废物的有机酸等)和提高产物对基和提高产物对基质的产率系数，降低发酵原材料的成本；质的产率系数，降低发酵原材料的成本；v (2)提高生产强度提高生产强度(如选育高产菌株、采用合适的发酵如选育高产菌株、采用合适的发酵生产方式等生产方式等)，以降低操作成本；，以降低操作成本；v (3)改进提取、纯化技术改进提取、纯化技术(如不采用

44、价格昂贵的有机溶如不采用价格昂贵的有机溶剂、简化操作等剂、简化操作等)，以降低提取成本。，以降低提取成本。68PHAs的流加发酵的流加发酵v选定了较适宜的菌种、基质和提取方法后，要进选定了较适宜的菌种、基质和提取方法后，要进一步降低一步降低PHAsPHAs的生产成本，最主要的关键在于采的生产成本，最主要的关键在于采取适当的发酵方式，以获得高的产物转化率、高取适当的发酵方式，以获得高的产物转化率、高的产物浓度。采取适宜的发酵生产方式是提高聚的产物浓度。采取适宜的发酵生产方式是提高聚合物的生产率和改进其质量的关键。合物的生产率和改进其质量的关键。69PHAs的流加发酵的流加发酵v 在在PHAs的生

45、产中，通常采用分批发酵法和流加发酵法，有时用连的生产中，通常采用分批发酵法和流加发酵法，有时用连续培养法来获得高的生产强度。续培养法来获得高的生产强度。v 由于由于真养产碱杆菌真养产碱杆菌只有在某种营养成份氮、磷或氧等缺乏而碳源过量只有在某种营养成份氮、磷或氧等缺乏而碳源过量的不平衡生长条件下才能大量积累的不平衡生长条件下才能大量积累PHAs，一般可将发酵过程分成两，一般可将发酵过程分成两个阶段来进行控制：个阶段来进行控制： 第一阶段为菌体细胞的形成阶段，在此阶段微生物利用基质形成大量菌体，而多聚体PHAs的积累量很少； 第二阶段为多聚体形成阶段，当培养基中某种营养耗尽时，细胞进入PHAs形成

46、阶段，在此阶段PHAs大量形成而菌体细胞基本上不繁殖。70v采用流加发酵法进行采用流加发酵法进行PHAsPHAs的生产时，可以在某些的生产时，可以在某些必须的营养成分成为生长限制性因素之前，对其必须的营养成分成为生长限制性因素之前，对其进行定量流加，延长细胞的对数生长期，从而可进行定量流加，延长细胞的对数生长期，从而可以获得较高的菌体浓度。以获得较高的菌体浓度。71v 减少菌体细胞在生长阶段积累多聚体，也需通过流加法来减少菌体细胞在生长阶段积累多聚体，也需通过流加法来控制，培养液中氨离子浓度不小于控制，培养液中氨离子浓度不小于200 mg/L，否则会，否则会降低共聚体的最终产率。降低共聚体的最

47、终产率。v 在多聚体形成阶段，限制氮源能刺激细胞积累在多聚体形成阶段，限制氮源能刺激细胞积累PHAs，但，但氮源的完全缺乏会极大地损害微生物细胞的合成活性，所氮源的完全缺乏会极大地损害微生物细胞的合成活性，所以将在以将在PHAs合成阶段以较低的速率限量流加氮源。与分合成阶段以较低的速率限量流加氮源。与分批发酵中氮源完全缺乏相比，流加发酵细胞中的批发酵中氮源完全缺乏相比，流加发酵细胞中的PHAs含含量增加更快。量增加更快。PHAs的流加发酵的流加发酵72v此外，与传统的分批发酵相比，流加发酵通常具此外，与传统的分批发酵相比，流加发酵通常具有染菌和退化的几率小，可以获得较高的转化率有染菌和退化的几

48、率小，可以获得较高的转化率，对发酵易实现优化控制等优点。，对发酵易实现优化控制等优点。731、采用流加培养法生产、采用流加培养法生产PHB（1）选择限制培养基中的氮源作为流加控制的手）选择限制培养基中的氮源作为流加控制的手段，可以提高段，可以提高PHB产率；产率；（2）控制碳氮比相当重要。）控制碳氮比相当重要。742、采用流加培养法生产共聚物、采用流加培养法生产共聚物P(HB-CO-HV) 聚羟基烷酸（聚羟基烷酸（PHAs）是一类具有广泛工）是一类具有广泛工业应用价值的耐热塑料，某些共聚物业应用价值的耐热塑料，某些共聚物PHA比均聚比均聚物物PHB具有更有用的热机械性能，如具有更有用的热机械性

49、能，如PHB较脆较脆和发硬，而和发硬，而HB和和HV形成的共聚物形成的共聚物PHA比比PHB的硬度降低而韧度增加。的硬度降低而韧度增加。75v在共聚物在共聚物P(HB-CO-HV)的生产过程当中，流加的生产过程当中，流加发酵比分批发酵具有明显优势。发酵比分批发酵具有明显优势。丙酸和戊酸丙酸和戊酸是生是生产共聚物产共聚物P(HB-CO-HV)所必需的基质，由于这所必需的基质，由于这些有机酸对菌体细胞具有一定的毒性，故采用简些有机酸对菌体细胞具有一定的毒性，故采用简单的分批发酵不可能获得高产，采用流加培养法单的分批发酵不可能获得高产，采用流加培养法，可以避免由于培养基中有机酸的积累而使细胞，可以避

50、免由于培养基中有机酸的积累而使细胞活力受到损害，从而达到提高活力受到损害，从而达到提高P(HB-CO-HV)产产率的目的。率的目的。76v另外为了减少菌体细胞在生长阶段积累多聚体，另外为了减少菌体细胞在生长阶段积累多聚体，也需通过流加的方法来控制培养液中铵离子浓度也需通过流加的方法来控制培养液中铵离子浓度不小于不小于200mg/L200mg/L，否则会降低共聚体的产率。，否则会降低共聚体的产率。77（三）流加培养条件对多聚体相对分子量的影响（三）流加培养条件对多聚体相对分子量的影响 多聚体的相对分子量常常影响其质量和生物降解的速多聚体的相对分子量常常影响其质量和生物降解的速度。度。 不同用途对

51、生物可降解多聚体的平均相对分子质量大不同用途对生物可降解多聚体的平均相对分子质量大小要求不同，一般来说平均相对分子质量大且相对分子质小要求不同，一般来说平均相对分子质量大且相对分子质量分布范围窄的多聚体具有更广泛的工业应用前景，并且量分布范围窄的多聚体具有更广泛的工业应用前景，并且提取也较为方便。提取也较为方便。78 多聚体的平均相对分子量大小受流加培养条多聚体的平均相对分子量大小受流加培养条件的影响。当培养条件恒定时，其平均相对分子件的影响。当培养条件恒定时，其平均相对分子量也保持相对恒定，因而只要控制适宜的流加培量也保持相对恒定，因而只要控制适宜的流加培养条件，就可以将相对分子量控制在所需

52、的范围养条件，就可以将相对分子量控制在所需的范围之内。之内。79 对于共聚物对于共聚物P(HB-CO-HV)而言，由于大而言，由于大多数微生物即使在氮源和磷等因素不受限制的细多数微生物即使在氮源和磷等因素不受限制的细胞生长阶段也能在胞内积累少量的胞生长阶段也能在胞内积累少量的PHB，因而在，因而在加入任何能激发其形成共聚体的基质时，菌体胞加入任何能激发其形成共聚体的基质时，菌体胞内已含有一些均聚物内已含有一些均聚物PHB，因而得到的是各种，因而得到的是各种HV单体含量的共聚体的混合物。单体含量的共聚体的混合物。80v 为了得到更均质的共聚体，在共聚物为了得到更均质的共聚体，在共聚物P(HB-C

53、O-HV)的积累阶段开始时，应先使培的积累阶段开始时，应先使培养物处于碳源饥饿状态，这样使细胞内源养物处于碳源饥饿状态，这样使细胞内源PHB的量大大降低，得到的共聚物也就较为均一。的量大大降低，得到的共聚物也就较为均一。81v另外，共聚体中另外，共聚体中HB/HV单体比例依赖于流加过单体比例依赖于流加过程中糖程中糖/丙酸或者丁酸丙酸或者丁酸/戊酸的比例，且基质流戊酸的比例，且基质流加速率应小于其最大可能的利用速率，以避免对加速率应小于其最大可能的利用速率，以避免对细胞有毒性的基质的积累，确保产生的共聚物具细胞有毒性的基质的积累，确保产生的共聚物具有恒定的有恒定的HB/HV比例。比例。82第四节

54、第四节 PHAs的提取的提取vPHB的提取涉及到两个方面的问题：一是方法的的提取涉及到两个方面的问题：一是方法的合理性，主要表现在提取率、产物的纯度，提取合理性，主要表现在提取率、产物的纯度，提取过程是否对过程是否对PHB的结构产生影响，以及是否方便的结构产生影响，以及是否方便操作，预后处理是否复杂、环境是否污染等方面操作，预后处理是否复杂、环境是否污染等方面。二是过程的经济性，表现在提取的材料的费用。二是过程的经济性，表现在提取的材料的费用、能量的消耗和设备的投资等。、能量的消耗和设备的投资等。83四、四、PHAs的提取技术的提取技术v有机溶剂法有机溶剂法v次氯酸钠提取法次氯酸钠提取法v酶法

55、酶法v表面活性剂表面活性剂- -次氯酸钠法次氯酸钠法v其他方法其他方法841. 有机溶剂法有机溶剂法v 对于由真养产碱杆菌对于由真养产碱杆菌(Ralstonia eutropha)生产生产PHB，研究初期通常采用的提取方法是有机溶剂法。包括研究初期通常采用的提取方法是有机溶剂法。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：有机溶剂一方面能改变细胞壁和膜的通透性，原理：有机溶剂一方面能改变细胞壁和膜的通透性，另一方面能使另一方面能使PHB溶解到溶剂中，而非溶解到溶剂中，而非PHB的细胞物的细

56、胞物质质(NPCM)不能溶解，从而将不能溶解，从而将PHB与其它物质分离开与其它物质分离开来。具体操作步骤如图来。具体操作步骤如图7-5所示。所示。85图7-5 有机溶剂提取PHB的过程示意图86(1)当溶剂中含有超过当溶剂中含有超过5%(w/v)的的PHB时，溶液变得很时，溶液变得很粘，要去掉细胞的残余物就变得很困难；粘，要去掉细胞的残余物就变得很困难；(2) 提取率难以达到很高；提取率难以达到很高；(3)使用大量的有机溶剂；使用大量的有机溶剂；(4)造成严重环境污染，操作不便。造成严重环境污染，操作不便。优点：引起优点：引起PHB的降解非常小，得到的降解非常小，得到PHB的纯度非常高。的纯

57、度非常高。因此，用有机溶剂提取因此，用有机溶剂提取PHB通常作为一种实验室方法。通常作为一种实验室方法。有机溶剂的方法的缺点872 次氯酸钠提取法次氯酸钠提取法v 次氯酸钠能够破胞且对细胞中的次氯酸钠能够破胞且对细胞中的非非PHB的细胞物质的细胞物质的的消化很有效，因而用该方法破胞所得产品的纯度较高消化很有效，因而用该方法破胞所得产品的纯度较高、提取速度快，避免了有机溶剂提取过程中繁琐的前、提取速度快，避免了有机溶剂提取过程中繁琐的前、后处理工作。、后处理工作。v 但是但是PHB分子量只有原来的一半。分子量只有原来的一半。v 具体操作过程见图具体操作过程见图2。 88图2 次氯酸钠提取PHB过

58、程示意图89次氯酸钠提取法次氯酸钠提取法优点：不使用大量的有机溶剂。优点：不使用大量的有机溶剂。缺点：次氯酸钠对缺点：次氯酸钠对PHBPHB分子有严重的降解作用，因分子有严重的降解作用，因而所获得的而所获得的PHBPHB的分子量较小。的分子量较小。90次氯酸钠次氯酸钠/ /氯仿提取法氯仿提取法 改进：根据氯仿提取时改进：根据氯仿提取时PHBPHB纯度高且被降解程度纯度高且被降解程度小，而次氯酸钠对非小，而次氯酸钠对非PHBPHB细胞物质消化很有效的细胞物质消化很有效的优点，结合优点，结合PHBPHB疏水亲油物质，而细胞膜具有亲疏水亲油物质，而细胞膜具有亲水性的特点的原理，发明了用分散的次氯酸钠

59、水性的特点的原理，发明了用分散的次氯酸钠/ /氯仿提取氯仿提取PHBPHB的方法。的方法。91 冷冻干燥的菌体冷冻干燥的菌体+次氯酸钠次氯酸钠+氯仿破壁氯仿破壁 离心分离离心分离 氯仿相中加入非溶剂物质使氯仿相中加入非溶剂物质使PHB沉淀沉淀 离心过滤分离离心过滤分离 烘干烘干 成品成品92v在该方法中次氯酸钠主要起破胞作用，而氯仿则在该方法中次氯酸钠主要起破胞作用，而氯仿则对破胞产生的对破胞产生的PHB起保护作用，因而不但可得到起保护作用，因而不但可得到较高纯度的较高纯度的PHB，而且，而且PHB被次氯酸钠降解的被次氯酸钠降解的程度大大降低。同时由于破胞较完全，因而可以程度大大降低。同时由于

60、破胞较完全，因而可以获得较好的提取收率。获得较好的提取收率。93v优点：提取率较高，得到的优点：提取率较高，得到的PHB的分子量较大。的分子量较大。v缺点：需要大量的有机溶剂，并且操作复杂，限缺点：需要大量的有机溶剂，并且操作复杂，限制了工业化生产。制了工业化生产。94三、酶法三、酶法 基本原理与次氯酸钠法相似，即让大量的基本原理与次氯酸钠法相似，即让大量的NPCMNPCM溶解而溶解而PHBPHB不溶解，从而达到分离提纯的目的不溶解，从而达到分离提纯的目的。但是由于。但是由于NPCMNPCM通常包括核酸、类脂物、磷脂、通常包括核酸、类脂物、磷脂、肽聚糖以及蛋白质等物质，因此实际上是通过多肽聚糖