废物资源化生物可降解塑料汇编

1、1 第9章 废物资源化生物技术2022-4-102生物可降解塑料的生产和应用生物可降解塑料的生产和应用3一、 塑料废物污染和可降解塑料 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切相关。 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危害。4普通塑料对环境污染的特点(1)污染范围广(2)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

2、国、日本的塑料垃圾占垃圾总量的7%。5普通塑料对环境污染的特点(3) 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，如HCl、SOx、CO等。6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，抗病力差。7 研究和开发生物可降解塑料已迫在眉捷 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 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8国内外出现的

3、生物可降解塑料PCL-聚已内酰胺;PVA-聚乙烯醇;PE-聚乙烯9生物可降解塑料的特点 工艺简单 生产过程污染轻 生物可降解性和生物可相容性 可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境条件10二、PHAs的生物合成与应用 采 用 微 生 物 发 酵 法 生 产 的 聚 - - 羟 基 烷 酸 ( 简 称PHAs)，成为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PHBV11 PHAs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，还具有生物可降解性和生物可相容性。PHAs100年个月合成塑料PHA

4、s香波瓶原原料料降降解解12（一）PHAs的结构、物理化学性质和应用 多种微生物在一定条件下能在胞内积累PHAs作为碳源和能源的贮存物。 由于PHAs具有低溶解性和高分子量，它在胞内的积累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。 PHAs的通式可写成：2_ _ _ _ _RC_On_ _OCH CH单体数目13 R为甲基时，单体为-羟基丁酸(HB)； R为乙基时，单体为-羟基戊酸(HV)； R为丙基时，单体为-羟基已酸(HC)； R为丁基时，单体为-羟基庚酸(HH)； R为戊基时，单体为-羟基辛酸(HO)； R为已基时，单体为-羟基壬酸(HN)

5、； R为庚基时，单体为-羟基癸酸(HD)； R为辛基时，单体为-羟基十一酸(HUD)； R为壬基时，单体为-羟基十二酸(HDD)； nR多为不同链长正烷基，也可以是支链的、不饱和的或带取代基的烷基14聚合物命名 R为甲基时，其聚合物为聚-羟基丁酸(PHB) R为乙基时，其聚合物为聚-羟基戊酸(PHV) 在一定条件下两种或两种以上的单体还能形成共聚物，其典型代表是3HB和3HV组成的共聚物P(3HB-co-3HV)。15 每个PHAs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

6、加可使熔点从180(PHB均聚物)降至75(PHBV共聚物中HV组分的摩尔分数为3040%) 。PHAs的结构、物理化学性质16 大多数有关细菌PHAs的物化性质的研究是针对PHB和PHBV两种聚合物进行的。 PHB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(PP)很相似，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、阻湿性等则是PHB的优点。PHAs的结构、物理化学性质-续1718 PHB较脆和发硬，但可通过与适量HV共聚而补偿。 随着PHBV中HV组分的增加，聚合物的劲度降低而韧性增加，且共聚物的熔点随着HV

7、组分的增加而降低，使得较易对其进行热加工处理。 单体4HB的聚合物或3HB与4HB的共聚物P(3HB-co-4HB)则是高弹体，且其生物降解的速度比均聚PHB或PHBV更快。PHAs的结构、物理化学性质-续HV -羟基戊酸HB -羟基丁酸19PHB的工业化应用主要存在两个缺点 PHB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(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； 在环境条件下贮存数日后，PHB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。20（二）PHAs的生物合成 合成PHAs的主要微

8、生物 合成PHAs的主要基质 PHAs的代谢途径与调控21 能产生PHAs的微生物分布极广，包括光能和化能自养及异养菌计65个属中的近300种微生物。 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)1.合成PHAs的主要微生物22活性污泥中微生物产生的PHB23表7-4 各种微生物利用不同碳源合成PHVs的情况及水平比较 24 真养产碱杆菌(Ralstoni

9、a eutropha)为革兰氏阴性的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的共聚物。 采用带有真养产碱杆菌PHB合成基因的重组大肠杆菌(E.coli) 。工业化生产PHAs的微生物25Ralstonia eutrophaR.eutropha262.合成PHAs的主要基质(1)、糖质碳源葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。(2)、甲醇 甲醇是最便宜的基质之一，ICI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PHB。甲醇菌积累PHB含量不

10、高，PHB回收成本大，PHB的分子量较小。2728（3）、气体H2/CO2/O2 真养产碱杆菌等一些爆鸣气细菌能利用H2/CO2/O2产生PHB，其中H2作为能源，CO2是碳源。 以H2作为基质按其价格和产率而言(见表1)在经济上是划算的，且H2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：温室效应及废弃的非降解塑料对生态环境的危害。 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炸的下限(6.9%)是安全的。29（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醇、酸等产生中等链长羟基烷酸的共聚物(PHAMCL)，共聚

11、物中单体的组成与基质碳架的长度有关。 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11.6g/l，PHA的生产强度为0.58g/Lh，303. PHAs的代谢途径与调控 PHAs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。31 胞中积累的PHAs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 eutrop

12、ha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。32Scanning electron microscope of PHB granules in Ralstonia eutropha33补料分批培养45h收获的菌体细胞的电镜照相34PHAs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。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

13、位的PHAs；一株产碱杆菌从长链偶碳脂肪酸合成PHB；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。35基因重组细菌 20世纪80年代后期开始将重组DNA技术应用于生物合成PHB，来自于多种细菌的PHA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详细的研究， PHA生物合成酶基因已被克隆成功。 3个实验室独立地将真养产碱杆菌H16的PHB生物合成基因phbA、phbB和phbC克隆并在大肠杆菌中表达。36（三）PHAs的发酵生产 PHAs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(ICI)认为影响PH

14、As生产成本的主要因素有 菌种 原料 操作方式 提取方法37因而降低PHAs的生产成本主要措施 (1)采用廉价基质(如CO2、H2和O2，甲醇，乙醇，葡萄糖及来自农业废物的有机酸等)和提高产物对基质的产率系数，降低发酵原材料的成本； (2)提高生产强度(如选育高产菌株、采用合适的发酵生产方式等)，以降低操作成本； (3)改进提取、纯化技术(如不采用价格昂贵的有机溶剂、简化操作等)，以降低提取成本。38PHAs的流加发酵 在PHAs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。 由于Ralstonia eutropha只有在某种营养成份氮、磷或氧等缺乏而碳源过量的

15、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形成阶段，在此阶段PHAs大量形成而菌体细胞基本上不繁殖。39 延长细胞的对数生长期，从而可获得较高的菌体浓度； 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200 mg/L，否则会降低共聚体的最终产率。 在多聚体形成阶段，限制氮源能刺激细胞积累PHAs，但氮源的完全缺乏会极大地损害微生物细胞的合成活性，所以将在PHA

16、s合成阶段以较低的速率限量流加氮源。PHAs的流加发酵40（四）PHAs的提取技术 有机溶剂法 次氯酸钠提取法 酶法 表面活性剂-次氯酸钠法 其他方法411. 有机溶剂法 对于由真养产碱杆菌(Ralstonia eutropha)生产PHB，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、1,1,2三氯乙烷、乙酸酐、碳酸乙烯酯及碳酸丙烯酯等。 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PHB溶解到溶剂中，而非PHB的细胞物质(NPCM)不能溶解，从而将PHB与其它物质分离开来。42有机溶剂提取PHB的过程示意图43(1)当溶剂中含有超过5%(w/v)的PHB时

17、，溶液变得很粘，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；(3)使用大量的有机溶剂；(4)造成严重环境污染，操作不便。用有机溶剂提取PHB通常作为一种实验室方法。有机溶剂的方法的缺点442 次氯酸钠提取法 次氯酸钠能够破胞且对细胞中的非PHB的细胞物质(NPCM)的消化很有效，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、后处理工作。 但是PHB分子量只有原来的一半。45图 次氯酸钠提取PHB过程示意图46各种提取PHB的方法比较 471.1.降解机制a a 胞内降解 胞内PHB的代谢是个循环过程。 图中第四步到第七步是降解过程。首先(第四

18、步)胞内无定形PHB颗粒在解聚酶作用下降解，形成单体和二聚体的混合物。二聚体随之在二聚体水解酶作用下形成单体。 （五）（五）PHAs的生物降解的生物降解 48三羧酸循环柠檬酸乙酰乙酰CoA乙酰乙酸3羟基丁酸CoA聚羟基丁酸乙酰CoA草酰乙酸3-酮硫解酶 羟基丁酸(PHB)乙酰乙酰CoA还原酶还原酶 羟基丁酸图7-9 PHB的代谢过程49b 胞外降解胞外降解 聚羟基丁酸(PHB)的胞外降解有两种机制， 在无菌条件下通过水解进行。这种机制对于PHB在医疗方面的应用(如作为药物的缓适载体、手术缝线等)特别重要。 在自然环境中，是酶降解机制。许多细菌和真菌可分泌外解聚酶，有些甚至可以利用PHB作为唯一

19、碳源生长。502. PHB在环境中的降解在环境中的降解 影响PHB降解速度的因素较多 包括环境类型：微生物种群及活力，水份，温度 塑料制品性质：厚度，表面组织形态，孔隙度，制品中的第二组分,如填充料、颜料 在自然环境中，能降解PHB的微生物包括细菌、放线菌、和霉菌等。 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种放线菌和86种霉菌。51表7-10PHB在环境中的降解52(六) PHAs工业化和研究进展1. 影响PHAs工业化的因素2. 国内外研究PHAs的水平3. 研究进展531. 影响PHAs工业化的因素 PHAs早在

20、20世纪60年代就已引起了人们的广泛关注 在过去几十年中，有数家公司一直在探索PHB工业生产的可能性。 1962，Baptist在美国申请了有关PHB生产的专利。 20世纪80年代初，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。54 1982年，ICI公司使用真养产碱杆菌突变株为生产菌种，以葡萄糖为惟一碳源，在35m3气升环流反应器及200m3机械搅拌反应罐内试生产PHB成功，并以葡萄糖加丙酸为碳源生产聚-羟基丁酸和聚-羟基戊酸无序共聚物P(HB-co-HV) 。 PHB 价格：33美元/kg5.58美元/kg左右 聚丙烯的价格(1美元/kg) 降低PHAs的

21、生产成本：菌种、发酵方式、提取方法。55562. 国内外研究PHAs的水平 国内外的研究内容主要集中于： 微生物菌种的改良； 发酵生产技术研究，流加发酵控制技术、高密度细胞培养技术； 新型反应器研制，提高传氧效率、降低能耗； 产品提取工艺开发，降低成本，采用非有机溶剂提取方法。57国内外从事PHAs研究机构 国外英国ICI公司、韩国现代科学技术研究所(KAIST)、奥地利生物技术公司和日本名古屋大学等。 国内起步于20世纪80年代的中后期。中科院微生物所、山东大学、北京农业大学和无锡轻工大学等。中国科学院微生物所、清华大学生物系和化工系均已有批量生产技术。但在PHB提纯方面，目前尚未达到应用水

22、平。583. 研究进展 改性 共聚 官能化：如靠原子的引入有可能提高PHAs的绝缘性能，降低材料的表面张力，使PHAs有较高的润滑性、耐热性和耐油性。 结构设计：不同的菌种、改变培养条件，可以调节PHAs的组成 采用廉价底物 构建自溶性PHAs生产菌种：噬菌体 转基因植物59植物生产PHB 利用细菌发酵生产的PHB价格较高。 为降低成本，人们研究利用植物资源生产PHB。相对微生物而言，植物更象一个大加工厂，更适于生产复杂、多样且具特殊用途的塑料原料。 目前，人们利用生物工程技术已将关键酶基因导入拟南芥、油菜和向日葵等植物中，从这些转基因植物的细胞质或质体中获得PHB。由于植物生产便于PHB的分

23、离提纯，降低了成本，因此，利用转基因植物生产 PHB使开发生物降解塑料前景广阔。60生物可降解塑料的特点 工艺简单 生产过程污染轻 生物可降解性和生物可相容性 可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境条件61 PHAs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，还具有生物可降解性和生物可相容性。PHAs100年个月合成塑料PHAs香波瓶原原料料降降解解62 胞中积累的PHAs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。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P