可降解塑料的生物合成

可降解塑料的生物合成普通塑料就是以合成树脂为主得化学合成材料。对环境污染具有以下特点:①污染范围广,江河湖泊、田野山川无处不有。②污染物增长量快。据统计,全世界每年对塑料得需求量为1亿吨,倾入海洋得塑料垃圾达数10万吨,陆上得更就是难以计数。1985年我国农用薄膜为30万吨,1990年为50万吨,2005年,中国包装用塑料需求量达到了500万吨,按30%为难以收集得一次性塑料包装材料和制品计算,则废弃物产生量达150万吨。我国可覆盖地膜得面积为5亿多亩,需求量已达到100万。③处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解得特性。埋地里处理百年不烂;燃烧时产生大量有毒气体,如HCl、SOx、CO等。各种塑料及相近制品在环境中被预期降解得时间制品自动售铝罐聚乙烯泡可处置木制筷子塑料瓶货机杯沫杯/盘尿布(PET)时间/a＞20＞100＞500＞20＞20＞100

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;残膜随风飘动,对周围环境、畜牧业、养殖业都有很大得影响数量如此巨大得塑料垃圾对生态和环境产生了严重得影响,由此引发得环境问题将日益严重。许多国家已开始用生物可降解塑料代替部分石油化工合成塑料,并陆续颁布了一些法规,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,我国也开始禁用塑料方便餐盒等不可降解得塑料制品。当前,生产降解塑料得国家主要有美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。美国就是开发降解塑料得主要国家之一,主要有十几家单位,如塑料降解研究联合体(PDRC)、生物/环境降解塑料研究会(BEOPS)等,其宗旨在于进行有关降解材料合成、加工工艺、降解试验、测试技术和方法标准体系得建立。近年日本相继成立了生物降解塑料研究会、生物降解塑料实用化检讨委员会,日本通产省已将生物降解塑料作为继金属材料、无机材料、高分子材料之后得“第四类新材料”。欧洲Bhre-Eurae更就是对生物降解塑料建立了完善得降解评价体系。

生物降解塑料就是指在自然环境下通过微生物得生命活动能很快降解得高分子材料。按其降解特性可分为完全生物降解塑料和生物破坏性塑料。按其来源则可分为天然高分子材料、微生物合成材料、化学合成材料、掺混型材料等。天然高分子型就是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等天然高分子材料制备得生物降解材料。这类物质来源丰富,可完全生物降解,而且产物安全无毒性,日益受到重视。美国Warner-Lambert公司开发了由70%支链淀粉和30%直链淀粉制成得新型树脂,有良好得生物降解性,可替代农业上使用得各种生物降解材料。在众多得生物可降解材料中,采用微生物发酵法生产得聚β-羟基烷酸(简称PHAs),成为应用环境生物学方面得一个研究得热点。其中,β-羟基丁酸(简称PHB)及3-羟基丁酸与3-羟基戊酸得共聚物[简称P(3HB-co-3HV)或PHBV]就是PHAs族中研究和应用最广泛得两种多聚体。聚β-羟基烷酸(PHAs)作为一种有光学活性得聚酯,除具有高分子化合物得基本特性,如质轻、弹性、可塑性、耐磨性、抗射性等外,更重要得就是她还具有生物可降解性和生物可相容性。已有研究表明,采用PHAs制作得香波瓶,在自然环境中9个月后,可基本上被完全降解,而同样用合成塑料制作得物品,完全降解时间约需100年。因此,研究和开发聚β-羟基烷酸(PHAs),使之成为同类用途得石化合成塑料最有潜在得替代品,可避免或减少塑料废物对环境得污染,具有深远得环境意义。第二节PHAs得结构、物理化学性质和应用OCHCH2C

nORR为甲基时,单体为β-羟基丁(HB);R为乙基时,单体为β-羟基戊酸(HV);R为丙基时,单体为β-羟基己酸(HC);R为丁基时,单体为β-羟基庚酸(HH);n为单体得数目。R为甲基时,其聚合物为β-羟基丁酸(PHB),R为乙基时,其聚合物为β-羟基戊酸(PHV);其她依次类推。PHAs得通式可写成:大家有疑问的，可以询问和交流可以互相讨论下，但要小声点多种微生物在一定条件下能在细胞内积累聚β-羟基烷酸(PHAs)作为碳源和能源得贮存物。我们采用溶剂法从不同细菌中可以提取这些多聚物,有些多聚物得相对分子质量可高达2×106。每个PHA颗粒含有数千条多聚体链。这些多聚物得物理化学性质和机械性能如韧度、脆性、熔点、玻璃态温度和抗溶剂性等与单体得组成有极大得关系。例如3-羟基丁酸与3-羟基戊酸得(PHBV)共聚物中β-羟基戊酸组分得增加可使熔点从180oC(PHB)降至75oC。

多数有关细菌聚β-羟基烷酸(PHAs)得物理化学性质得研究就是针对β-羟基丁酸(PHB)及3-羟基丁酸与3-羟基戊酸得共聚物(PHBV)两种聚合物进行得。PHB就是高度结晶得晶体,其物理性质以及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PHB具有相对密度大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阻湿性和压电性等优点。聚β-羟基烷酸(PHAs)得生物降解性和生物相容性就是许多化学合成塑料所不具备得。PHAs这类热塑性聚酯能纺丝、压膜或注塑,在工业上可用作各类包装材料等,在医药方面得应用由于有生物相容性得特点,可作外科缝线、骨骼代用品或骨板,手术后无需取出。

研究还发现PHB得降解产物D(-)-3-羟基丁酸就是所有高等动物中得一种普遍存在得中间产物,在原核生物和真核生物中发现得含有100-200个单体得小分子量PHB,具有作为细胞膜离子通道组成得作用,并且在人体得血浆中也检测到她得大量存在。所以,植入哺乳动物组织得β-羟基丁酸(PHB)不会对机体产生毒性。

表8-2-2PHAs得应用应用范围PHAs得应用外科缝线、肘钉、拭子等;伤口敷料;血管替代品;骨骼替代品和骨医药上板(由于压电效应能促进骨骼生长);

长效药物得生物降解载体长效除莠剂、抗真菌剂、杀虫剂;肥料等得生物降解载体;容器、瓶、工业上袋、薄膜等包装材料;妇女卫生用品、尿布等;合成手性化合物得前体原料第三节PHAs得生物合成一、合成PHAs得主要微生物二、合成PHAs得主要基质三、PHAs得代谢途径与调控一、合成PHAs得主要微生物能产生聚β-羟基烷酸(PHAs)微生物分布极广,包括光能和化能自养及异养菌,计65个属中得近300种微生物。目前研究较多得用于合成PHAs得微生物有:产碱杆菌属,假单胞菌属,甲基营养菌,固氮菌属和红螺菌属等。她们能分别利用不同得碳源产生不同得PHAs。在多数情况下微生物能利用糖加丙酸或戊酸产生PHBV得,并可通过改变两者得配比控制共聚物中HB和HV得比例。但丙酸或戊酸价格高,且对细菌有毒,因而在培养液中得浓度必须控制很低,产率及转化率都不高,这些也就是生产上得不利因素。

上个世纪90年代以来发现,在分类上属于红球菌属、诺卡氏菌属和棒杆菌属中得一些菌能利用葡萄糖或其她单一碳源产生含HB和HV得PHA。上个世纪末,有人观察到真养产碱杆菌H16得异亮氨酸缺陷型突变株R8能从单一得无关连碳源例如果糖或葡萄糖酸等产生PHBV。以果糖为碳源时,共聚物占细胞干重得47%。这些发现不仅给PHA生物合成和调节机制得研究增加了新得内容,而且对探索从廉价得单一碳源生产PHBV方面开辟了一条新得途径。

选择工业生产PHAs得菌种可以考虑以下几个因素,主要包括细菌能利用廉价碳源得能力、生长速率、多聚物合成速率和能在细胞内最大积累多聚物得程度。如英国ICI公司分别对固氮菌、甲基营养菌和真氧产碱杆菌进行了考察:首先,放弃了固氮菌、因为这类菌还会产生多糖,从而降低了β-羟基丁酸(PHB)得产率。其次,否定了甲基营养菌,这类菌得PHB产率不高,胞内PHB含量仅为65%左右。第三,舍去了甲醇,虽然甲醇得价格低,但转化系数也低,经考察,最终选择了真养产碱杆菌作为PHAs得生产菌株,因为该菌株生长快、易培养、胞内PHB含量高、聚合物得分子量大以及能利用各种较经济得碳源。二、合成PHAs得主要基质1、糖质碳源可用来工业化生产PHA得糖质碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。(1)葡萄糖真养产碱杆菌野生株H16利用果糖积累PHB,其利用葡萄糖得变异株已用于工业生产PHB。如凯姆等人采用细胞密度培养得方法,通过在线葡萄糖浓度得控制,首先使菌体平衡生长至70g/L,再让其积累PHB,50h细胞浓度达164g/L,干细胞中PHB含76%,发酵液中含量为121g/L,PHB得生产强度为2、42g/(L·h),就是目前世界上已报道得最高记录。(2)蔗糖及糖蜜

肥大产碱杆菌能利用蔗糖积累β-羟基丁酸(PHB),采用分批补料培养得方法积累得PHB量达60g/L以上,目前已中试生产得水平为15m3反应器每周生产1tPHB。该菌得特点就是生长较快,能利用廉价得甜菜或甘蔗糖蜜,并且细胞生长与PHB得积累同步。但就是,使用糖蜜作基质还很有争议。培格认为,用甜菜糖蜜作基质其价格就是葡萄糖得1/2,而ICI公司认为糖本身虽然价格较低,但杂质多,增加了PHB积累得难度,为了提高PHB含量,糖蜜原料需精制,这就增加了成本。另外,使用糖蜜还会给后提取增加困难(如粘度大,需脱色等),糖蜜系季节性产品,储运不易,再有糖蜜含糖量较低(通常含糖50%以下),如用来作细胞得高密度培养还需补加纯糖,这也会影响成本,所以从使用糖蜜得总效益综合考虑,尽管糖蜜本身廉价,用于实际生产上仍有许多困难需要克服。2、甲醇甲醇就是最便宜得基质之一,但由于甲醇菌积累PHB含量不高,加大了PHB回收过程得成本,而且PHB得分子量较小,故ICI公司放弃了这条路线。但由于甲醇价格低,仍然吸引人们寻求新得菌种和开发更有效得培养方法。凯姆等使用嗜有机甲基杆菌,在微机辅助得自动补料分批培养系统中,在限钾得条件下(＜25mg/L)大量生产PHB,甲醇浓度维持在2-3g/L时不抑制细胞得生长,培养70h细胞浓度高达250g/L,就是当今高密度培养产PHB细胞浓度得最高记录。

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β-羟基丁酸(PHB),其中H2作为能源,CO2就是碳源。H2就是一种干净得可再生资源。通过同化CO2生产生物降解塑料,可以同时解决温室效应及废弃得非降解塑料得危害等两个严重得环境污染问题。但在技术上要解决混合气体爆鸣得安全问题和气体得循环利用问题。控制基质气相中氧得浓度低于气体爆炸得下限(6、9%)就是安全得,而循环气体得闭路培养体系能有效地利用气体。田中等人研究了真养产碱杆菌利用H2/CO2/O2得高密度培养产PHB得最新结果就是,在限氧条件下培养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能利用中等链长得烷烃或其衍生物醇、酸等产生中等链长羟基烷酸得共聚物(PHAMCL),而共聚物中单体得组成与基质碳架得长度有关。以辛烷作基质连续培养食油假单胞菌,通过优化培养基和增加氧得转移率,稳定态细胞浓度增至11、6

g/L,用传氧很有效得反应器作分批补料培养,38h细胞浓度为37、1g/L,PHA占细胞干重得33%。如通纯氧以适应细胞对氧得需要、用辛酸分批补料培养45h,细胞浓度为41、8g/L,PHA占细胞干重得37、1%。三、PHAs得代谢途径与调控

研究表明,许多微生物在碳源过量而其她某种营养成分,如氮、磷、镁或氧不足时,能在细胞内大量积累聚β-羟基烷酸,以作为碳源和能源得贮存物。当限制性营养物再次被提供时,PHAs能被细胞内酶降解后作为碳源和能源利用。细胞中积累得PHAs以单个粒子得形态存在,不同微生物细胞含有得颗粒数量及颗粒大小不同。在真养产碱杆菌中,每个细胞含有8~10个颗粒,每个颗粒直径大小为0、2~0、5µm。在电子显微镜中观察到这些内含物具有高度得折光性,颗粒外面包裹着一层膜,该膜没有生物膜那样得典型双层结构,膜中含有PHAs合成酶得降解酶系统。PHAs除在微生物饥饿条件下作为碳源和能源外,还为微生物在其她环境压力条件下(如渗透压、脱水或紫外线照射)得生存起着重要得作用。一般说来,在恶劣环境下含有PHAs得细胞微生物比不含PHAs得细胞具有更高得存活率。最近研究发现,PHAs除了作为细胞内贮物得生理作用外,还就是细胞膜得结构化合物。不同微生物合成PHAs得途径不同,基质不同,其合成途径也有差异,这就是微生物代谢多样性得一种表现。

在不同微生物中,利用不同基质合成PHA得主要途径包括:(1)真养产碱杆菌及多数细菌利用糖作为基质合成PHB;(2)深红红螺菌利用糖作为基质合成PHB;

(3)食油假单胞菌等利用中链烃、醇及酸合成具有与基质链长有关得HA单位得PHA;(4)一株产碱杆菌利用长链偶碳数脂肪酸合成PHB;(5)铜绿假单胞菌等利用糖质碳源合成具有中链HA单位得PHA;(6)真养产碱杆菌等利用糖加丙酸合成PHBV。

在真养产碱杆菌以及许多微生物中,PHB就是从已酰CoA通过三步反应合成。一就是由生物合成得β-酮基硫酯酶催化两个已酰CoA得c—c结合;二就是由依赖NADPH得已酰已酰CoA还原酶催化产生D(-)3-羟基丁酰CoA

;三就是由PHB聚合酶将D(-)3-羟基丁酰CoA连接到PHB正在增长得链上。第四节PHAs得发酵生产一、PHAs得流加发酵二、PHB发酵过程中理论产率得计算一、PHAs得流加发酵阻碍聚β-羟基烷酸(PHAs)实现大规模工业化生产得主要障碍就是生产成本问题。影响PHAs生产成本得主要因素有菌种、原料、操作方式以及提取方法等。所以,降低PHAs得生产成本主要考虑以下几点:其一,采用廉价基质(如CO2、H2和O2或甲醇、乙醇、葡萄糖及来自农业废物得有机酸等)和提高最终产物对基质得产率系数,以降低发酵原材料得成本。其二,提高生产强度(如选育高产菌株,采用合适得发酵生产方式等),以降低操作成本。其三,改进提取、纯化技术(如不采用价格昂贵得有机溶剂、简化操作等),以降低提取成本。

除上述3点外,还应采用适宜得发酵生产方式,这就是提高聚合物得生产率和改进其质量得关键。现代发酵工业中,绝大多数得培养均采用纯种液体培养方法,液体培养得操作方法主要有间歇(分批)培养、连续培养和流加培养3种。①细胞得分批培养就是一种间歇培养方式。在培养时,培养系统除了需不断进行通气和加入酸碱溶液以及排出废气外,与外界没有其她得物料交换。在分批培养中,细胞浓度、基质浓度和产物浓度均不断发生变化。

②连续培养得方法就是将新鲜得培养基连续地加入有均匀培养液得反应器中,同时排出发酵液,使培养环境如底物浓度、产物浓度、细胞浓度、比生长速率等可不随时间变化而变化,保持培养得稳定状态。在连续培养中,任何一种营养成分都可以用作限制性底物。③所谓流加培养,又称半连续发酵,就是指在培养过程中不断向反应器内加入培养基,但不同时取出培养液得培养方法。她就是一种介于分批培养和连续培养之间得培养方法。兼有两者得优点,而又克服了两者得缺点。和传统得分批培养相比,流加培养可以解除底物抑制、葡萄糖效应、代谢阻遏等;与连续培养相比,流加培养得染菌可能性小,也不易产生菌种老化变异等。

所谓限制性底物,就是指在培养微生物得营养物质中,对微生物得生长起到限制作用得营养物。由于许多微生物只有在氮、磷或氧等缺乏而碳源过量得不平衡生长条件下才能大量积累PHAs,所以在PHAs得发酵生产中,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得形成阶段,在此阶段微生物利用基质形成大量菌体,而多聚体PHAs得积累量很少;第二阶段为多聚体形成阶段,在此阶段PHAs大量形成而菌体细胞基本上不繁殖。

在简单分批培养过程中,当菌体生长进行到一定浓度时,培养基中一种或几种营养物质得浓度可能成为菌体细胞进一步繁殖得限制因素,而简单地增加该种营养物质得初始浓度不可能导致菌体生长量得相应增加,相反某些成分在较高浓度时对细胞会产生毒害作用,另一些还可能形成沉淀,因而采用分批发酵法不能获得很高得细胞干重以及高得产物浓度和生产强度。而采用流加发酵法进行PHAs得生产时,就可以在某些必需得营养成分成为生长限制因素之前,对其进行定量流加,延长细胞得对数生长期,从而可获得较高得菌体浓度。(一)采用流加培养法生产PHB在实际应用中,通常选择限制培养基中得氮源作为流加控制得手段,因为微生物得生长对氮源得依赖比对其她离子更强,微生物对氮源得同化作用也比其她离子更快。研究发现,在流加培养过程中,控制恰当得碳氮比相当重要。为什么？在PHB合成阶段开始时,采用较低得碳氮比可以保持细胞具有较高得PHB合成能力,随着胞内PHB含量得增加,微生物细胞得PHB合成能力下降,这时可逐渐增加培养基中得碳氮比。

在流加培养过程中,可以通过在线检测尾气中CO2浓度,来间接估计胞内PHB含量,达到适时控制培养过程中碳氮比得目得。真氧产碱杆菌A、eutrophus就是到目前为止对其动力学和代谢途径研究得较为透彻得、也就是唯一已用于工业过程来生产多聚体得一类微生物,此菌能利用多种基质如葡萄糖、果糖、乙酸、丁酸或H2、O2和CO2得混合气体等来合成PHB。通过对真氧产碱杆菌其生长过程得动力学研究发现,在菌体生长阶段和PHB形成阶段之间存在一短暂得过度阶段,此过程阶段在氮源耗尽得同时形成,仅维持不到一个世代时间,此时,残留菌体和蛋白质得形成速率降为零,并且她们得含量在随后得时间内保持恒定,而PHB得形成速率迅速达到最大值,随后逐渐下降至最终为零。很明显,在以氮源为限制条件得PHB形成过程中,限量添加氮源能促进PHB得积累,这些结果与前面提到得用甲基营养菌合成PHB得情况相一致,在PHB形成阶段维持很低浓度得氮源时,PHB得形成速率比不加氮源得情况要高。(二)采用流加培养法生产共聚物P(HB-co-HV)由3-羟基丁酸和3-羟基戊酸聚合而成得共聚物P(HB-co-HV)就是瓦尔恩等人在1974年从活性污泥得絮凝物中分离出得第一个共聚物,也就是目前最具工业前景和吸引力得共聚物。在共聚物P(HB-co-HV)得生产过程中,流加发酵操作比分批发酵具有明显优势。为什么？丙酸或戊酸就是生产共聚物P(HB-co-HV)所必需得基质,由于这些有机酸对菌体细胞具有一定得毒性,采用流加培养法,可避免由于培养基中有机酸得积累而使细胞活力受到损害,从而达到提高P(HB-co-HV)产率得目得。

除3-羟基丁酸外,现在已知有40多种不同得脂肪酸可作为PHAs得组成成分。最近得研究发现,大多数能积累PHB得微生物也具有积累共聚物P(HB-co-HV)得能力,而且各种微生物从有机酸合成共聚物P(HB-co-HV)得途径和对有机酸得耐受能力也各不相同。由于所用得合成共聚物得基质(如丙酸或戊酸)价格相对较昂贵,如果丙酸在代谢过程中转向产能或形成乙酰CoA,进而形成HB单体,将会使共聚物中HV单体得含量下降而导致生产成本得增加。

除丙酸和戊酸能被作为生产共聚物P(HB-co-HV)得基质外,最近得到得由真氧产碱杆菌A、eutrophus异亮氨酸缺陷型突变株自发转变成得光养株R3,能从单一得如葡萄糖或果糖等无关联碳源产生共聚物P(HB-co-HV)。例如以果糖为碳源时,共聚物占细胞干重得47%,HV单体含量7%,这些发现,一方面给PHAs生物合成和调节机制得研究增加了新得内容,同时,也开辟了一条探索从廉价得单一碳源生产共聚物P(HB-co-HV)得新路。(三)流加培养条件对多聚体相对分子质量分布得影响多聚体得相对分子质量常常影响其质量和生物降解得速率。一般平均相对分子质量大且相对分子质量分布范围窄得多聚体具有更广泛得工业应用前景,并且提取也较方便,而对于某些特殊用途,相对分子质量不宜超过1×105。多聚体得平均相对分子质量大小受流加培养条件得影响。当培养条件恒定时,其平均相对分子质量也可以保持恒定,因而只要控制适宜得流加培养条件,就可将其相对分子质量控制在所需得范围之内。

苏祖凯等人对假单胞菌属得微生物以甲醇为基质合成PHB时得培养条件(如温度、pH、甲醇浓度等)进行了研究。发现温度会影响PHB得形成速率和含量,但对其聚合度没有影响;pH值对聚合物平均相对分子质量得影响很小;在流加培养过程中,甲醇浓度对多聚体平均相对分子质量得大小有显著影响。当甲醇浓度很低(如0、5g/L)时,其平均相对分子质量可达8×105,当甲醇浓度很高(如32g/L)时,其平均相对分子质量小于0、5×105。

除采用改变流加培养中基质浓度得方法来改变聚合物得相对分子质量大小外,另一个方法就是利用细胞内PHB得不平衡降解来改变其相对分子质量分布。细胞积累多聚体就是为其在恶劣环境下生存所用,因而,如果在培养过程中得某一阶段仅添加氮源而不加碳源,PHB就会被细胞降解,作为能源加以利用,而且,低分子量聚合物得降解速率大于高分子量聚合物得降解速率。这可使PHB得平均相对分子质量转换至较高得值。为了获得更均质得共聚体,在共聚物P(HB-co-HV)得积累阶段开始时,应先使培养物处于碳源饥饿状态,这样可使细胞内源PHB得量大大降低,得到得共聚物P(HB-co-HV)就较为均一。二、PHB发酵过程中理论产率得计算PHB就是仅有C、H和O元素组成得多聚物,在合成PHB所需得基质中,碳源得消耗量最大,所占发酵原料成本得比例也最大,因而,产物PHB对碳源得产率Yp/c,就是影响PHB工业化规模生产得重要因素。PHB发酵过程得理论产率和总产率:从简单得数学角度考虑很容易推断,在假定没有非PHB部分得残留菌体合成时,产物PHB对碳源得产率Yp/c,可达到最大值,该最大值被命名为PHB对碳源得理论产率Yp/c;当考虑到在平衡生长阶段形成菌体所消耗得碳源时,该实际产率Y1p/c,称为总产率。

通常有两种不同得方法来计算理论产率,即化学计算法和生化计算法。在生化计算法中,必须仔细考虑合成PHB过程得代谢途径和辅酶得再循环过程。在大多数细菌中,PHB就是从乙酰CoA经3个连续得反应而形成得,这三个反应分别被3-酮基硫解酶、依赖于NADPH得乙酰乙酰CoA还原酶和PHB合成酶所催化。必须注意到乙酰乙酰CoA还原酶就是与NADPH相关连得,即该酶仅催化下列反应:

乙酰-CoA+NADPH+H+

→D-3-羟基丁酰CoA+NADP+(1式)

尽管在PHB合成途径得3个反应中,即不需要NAD+也不需要ATP,但必须考虑包括PHB生物合成途径在内得所有途径中NAD+/NADH和ATP/ADP得再循环,这些辅助基质得缺乏不可能使代谢中间产物顺利流动。NADP+通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶再生,细胞内PHB合成得净反应如下:

葡萄糖+(3p+1)ADP+(3p+1)Pi+(3/2)O2→(1/n)PHB+2CO2+3H2O+(3p+1)ATP(2式)式中p就是P/O比率,从该反应式中可以计算出PHB对基质葡萄糖得理论产率为:YP/C=86/180=0、48

总得产率就是从实际发酵过程中计算出来得,PHB在细胞生长停止后积累或部分在细胞生长得同时积累。假定所消耗得总碳量(-△St),分成两部分,合成PHB所耗部分为(-△S1),合成非PHB得菌体所消耗得部分为(-△S2),则有:(-△St)=(-△S1)+(-△S2)(3式)第五节PHAs得提取技术PHB得提取技术主要涉及到两个问题:一就是方法得合理性,主要表现在提取率、产物得纯度,提取过程就是否对PHB得结构产生影响,从实验室到工业生产放大得可行性,以及操作就是否方便,预、后处理就是否复杂,环境污染程度等。二就是过程得经济性,表现在提取所用材料费用、能量消耗以及设备投资等。由于PHB以颗粒状态存在于细胞中,分离提取比较困难,所以,探索PHB得提取方法以降低提取成本具有十分重要得意义。一、有机溶剂法有机溶剂包括:氯仿、二氯乙烷、1,1,2-三氯乙烷、碳酸乙烯酯及碳酸丙烯酯等。其基本原理就是,这些有机溶剂一方面能改变细胞壁和膜得通透性,另一方面能使PHB溶解到溶剂中,而非PHB得细胞物质不能溶解,从而将PHB与其她物质分离开来。

用有机溶剂得方法进行提取得到得PHB纯度可达到很高,但存在以下缺点: