生物可降解塑料的生產(chǎn)與應(yīng)用

生物可降解塑料的生產(chǎn)與應(yīng)用第1頁/共19頁第2頁/共19頁從中長(zhǎng)期發(fā)展來看，可從源頭解決“白色污染”問題的可生物降解塑料，將會(huì)越來越受到重視。第3頁/共19頁與傳統(tǒng)的化學(xué)合成高分子材料相比，采用生物，特別是微生物合成的高聚物具有的特點(diǎn)如下：①工藝方法簡(jiǎn)單；②幾乎無環(huán)境污染；③產(chǎn)品具有生物可降解性和生物相容性；④可進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控。第4頁/共19頁在眾多生物可降解材料中，采用生物發(fā)酵法生產(chǎn)的聚β-羥基烷酸（PHAs）是應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)方面的一個(gè)研究熱點(diǎn)。其中，聚β-羥基丁酸（PHB）及3-羥基丁酸（3-HB）與3-羥基戊酸（3-HV）的共聚物（PHBV）是研究和應(yīng)用最廣泛的兩種多聚體。第5頁/共19頁一、PHAs的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用

PHAs——碳源和能源的貯存物。R為取代基：當(dāng)R=甲基時(shí)，單體為β-羥基丁酸（HB）；當(dāng)R=乙基時(shí)，單體為β-羥基戊酸（HB）；第6頁/共19頁所有的組成單位僅以[R]構(gòu)型存在；多聚物的物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能（韌性、脆性、熔點(diǎn)等等）與單體的組成有極大的關(guān)系。

PHBV中β-羥基戊酸組分的增加可使熔點(diǎn)從180℃降低至75℃；第7頁/共19頁P(yáng)HB的性質(zhì)與聚丙烯（PP）很相似，它的工業(yè)化應(yīng)用主要存在兩個(gè)缺點(diǎn)：①熔化穩(wěn)定性較差熔點(diǎn)175℃，分解溫度200℃

解決辦法：加入3-HV前體合成PHBV或與其他共聚物混合。②易發(fā)脆解決辦法：淬火處理第8頁/共19頁二、PHAs的生物合成（一）主要微生物能產(chǎn)生PHAs的微生物很多，包括光能和化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌。研究較多的有：產(chǎn)檢桿菌屬、固氮菌屬、甲基營(yíng)養(yǎng)菌、紅螺菌屬等。它們能分別利用不同的碳源產(chǎn)生不同的PHAs。第9頁/共19頁作為生產(chǎn)PHAs的商業(yè)用途菌株，應(yīng)該具備：①可利用廉價(jià)碳源②生長(zhǎng)速度快③對(duì)底物轉(zhuǎn)化率高④胞內(nèi)聚合物含量高⑤聚合物分子量大

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固氮菌和甲基營(yíng)養(yǎng)菌——廢蜜糖和甲醇原料——前者PHB產(chǎn)量低，后者PHB分子量小——被淘汰。研究較多的：真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌&基因重組的大腸桿菌。

——提高對(duì)多種原料的利用能力和轉(zhuǎn)化率、提高聚合物胞內(nèi)含量以及改變細(xì)胞特性以利于提取等。第11頁/共19頁第12頁/共19頁（二）合成途徑及關(guān)鍵酶合成原因：碳源過量，其他某種營(yíng)養(yǎng)成分（N、P、K、Mg、O或S）不足時(shí)，PHAs大量貯存。合成途徑：以合成PHB為例可分為三步合成途徑和五步合成途徑第13頁/共19頁三步合成途徑第一步：

β-酮硫裂解酶催化乙酰CoA生成乙酰乙酰CoA；；第二步：乙酰乙酰CoA被還原成D-(-)-3-羥基丁酰CoA；第三步：PHB聚合酶催化合成PHB第14頁/共19頁五步合成途徑

乙酰乙酰CoA↓乙酰乙酰CoA還原酶

L（+）-3-羥丁酰CoA↓烯?；鵆oA水合酶丁烯酰CoA↓烯?；鵆oA水合酶

D（-）-3-羥丁酰CoA第15頁/共19頁三、PHAs的生產(chǎn)工藝

PHAs只在細(xì)胞內(nèi)積累，要實(shí)現(xiàn)其最大生產(chǎn)，必須做到：①盡可能提高細(xì)胞密度②保證高的胞內(nèi)積累量③縮短發(fā)酵周期以提高生產(chǎn)強(qiáng)度兩階段控制：第一階段：菌體生長(zhǎng)；第二階段：多聚物形成。第16頁/共19頁

目前，在PHAs發(fā)酵中應(yīng)用最多的是流加培養(yǎng)法

——逐步添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。第17頁/共19頁目前，尚有幾個(gè)關(guān)鍵問題有待解決：①菌種對(duì)丙酸的轉(zhuǎn)化率低；定向育種&基因工程②聚合物分子