7生物可降解塑料的生产和应用.pptVIP

第七章 生物可降解塑料的生产与应用 第一节 聚β-羟基烷酸 普通塑料是以合成树脂为主的化学合成材料。 ——难降解性 各国反应：限制使用某些塑料制品。 由此，可降解塑料就成为研究的热点。 从中长期发展来看，可从源头解决“白色污染”问题的可生物降解塑料，将会越来越受到重视。 与传统的化学合成高分子材料相比，采用生物，特别是微生物合成的高聚物具有的特点如下： ① 工艺方法简单； ② 几乎无环境污染； ③ 产品具有生物可降解性和生物相容性； ④ 可进行结构调控。 在众多生物可降解材料中，采用生物发酵法生产的聚β-羟基烷酸 （PHAs）是应用环境生物学方面的一个研究热点。 其中，聚β-羟基丁酸（PHB）及3-羟基丁酸（3-HB）与3-羟基戊酸（3-HV）的共聚物（PHBV）是研究和应用最广泛的两种多聚体。 一、PHAs的结构、物理化学性质和应用 PHAs——碳源和能源的贮存物。 R为取代基： 当R=甲基时，单体为β-羟基丁酸（HB）； 当R=乙基时，单体为β-羟基戊酸（HB）； 所有的组成单位仅以[R]构型存在； 多聚物的物理化学性质和机械性能（韧性、脆性、熔点等等）与单体的组成有极大的关系。 PHBV中β-羟基戊酸组分的增加可使熔点从180℃降低至75 ℃； PHB的性质与聚丙烯（PP）很相似，它的工业化应用主要存在两个缺点： ① 熔化稳定性较差 熔点175 ℃，分解温度200 ℃ 解决办法：加入3-HV前体合成PHBV或 与其他共聚物混合。 ② 易发脆 解决办法：淬火处理 二、PHAs的生物合成 （一）主要微生物 能产生PHAs的微生物很多，包括光能和化能自养及异养菌。 研究较多的有：产检杆菌属、固氮菌属、甲基营养菌、红螺菌属等。它们能分别利用不同的碳源产生不同的PHAs。 作为生产PHAs的商业用途菌株，应该具备： ① 可利用廉价碳源 ② 生长速度快 ③ 对底物转化率高 ④ 胞内聚合物含量高 ⑤ 聚合物分子量大 固氮菌和甲基营养菌——废蜜糖和甲醇原料——前者PHB产量低，后者PHB分子量小——被淘汰。 研究较多的：真养产碱杆菌基因重组的大肠杆菌。 ——提高对多种原料的利用能力和转化率、提高聚合物胞内含量以及改变细胞特性以利于提取等。 （二）合成途径及关键酶 合成原因： 碳源过量，其他某种营养成分（N、P、K、Mg、O或S）不足时，PHAs大量贮存。 合成途径： 以合成PHB为例 可分为三步合成途径和五步合成途径 三步合成途径 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被还原成D-(-)-3-羟基丁酰CoA； 第三步： PHB聚合酶催化合成PHB 五步合成途径 乙酰乙酰CoA ↓乙酰乙酰CoA还原酶 L（+）-3-羟丁酰CoA ↓烯酰基CoA水合酶 丁烯酰CoA ↓烯酰基CoA水合酶 D（-）-3-羟丁酰CoA 三、PHAs的生产工艺 PHAs只在细胞内积累，要实现其最大生产，必须做到： ① 尽可能提高细胞密度 ② 保证高的胞内积累量 ③ 缩短发酵周期以提高生产强度 两阶段控制： 第一阶段：菌体生长； 第二阶段：多聚物形成。 目前，在PHAs发酵中应用最多的是流加培养法 ——逐步添加营养物质。 目前，尚有几个关键问题有待解决： ① 菌种对丙酸的转化率低； 定向育种基因工程 ② 聚合物分子质量分布范围较宽，且不易控制； 流加发酵技术 ③ 性能与化工合成塑料相比，尚有较大差距。 聚合物分子设计、修饰和共混加工技术 * *