可降解塑料的生物合成.ppt

《可降解塑料的生物合成.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《可降解塑料的生物合成.ppt（57页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、关于可降解塑料的生物合成现在学习的是第1页，共57页第一节第一节 可降解塑料概述可降解塑料概述 石化工业的兴起，使得石油化工合成塑料在人类石化工业的兴起，使得石油化工合成塑料在人类生活中扮演着重要的角色，生活中扮演着重要的角色，7070年代以来，塑料工业年代以来，塑料工业得到迅猛的发展，无论工业、农业、建筑业、还是得到迅猛的发展，无论工业、农业、建筑业、还是人们的日常生活，无不与塑料密切相关。人们的日常生活，无不与塑料密切相关。 但目前所使用的化学合成塑料在自然环境中很难分但目前所使用的化学合成塑料在自然环境中很难分解，也不会被腐蚀，燃烧处理又会产生有害气体，越来解，也不会被腐蚀，燃烧处理又会

2、产生有害气体，越来越多的塑料垃圾却对环境造成巨大的危害。越多的塑料垃圾却对环境造成巨大的危害。 现在学习的是第2页，共57页 普通塑料是以合成树脂为主的化学合成材料。对环境污染具普通塑料是以合成树脂为主的化学合成材料。对环境污染具有以下特点：有以下特点： 污染范围广，江河湖泊、田野山川无处不有。污染范围广，江河湖泊、田野山川无处不有。 污染物增长量快。污染物增长量快。 据统计，全世界每年对塑料的需求量为据统计，全世界每年对塑料的需求量为1 1亿吨，倾入海洋的亿吨，倾入海洋的塑料垃圾达数塑料垃圾达数1010万吨，陆上的更是难以计数。万吨，陆上的更是难以计数。 1985 1985年我国农用薄膜为年

3、我国农用薄膜为3030万吨，万吨，19901990年为年为5050万吨，万吨，20052005年，中年，中国包装用塑料需求量达到了国包装用塑料需求量达到了500500万吨，按万吨，按30%30%为难以收集的一次性为难以收集的一次性塑料包装材料和制品计算，则废弃物产生量达塑料包装材料和制品计算，则废弃物产生量达150150万吨。万吨。我国我国可覆盖地膜的面积为可覆盖地膜的面积为5 5亿多亩，需求量已达到亿多亩，需求量已达到100100万。万。现在学习的是第3页，共57页 处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的特性。埋地里处理百年不烂；燃

4、烧时产生大量有毒气体，如性。埋地里处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体，如HClHCl、SOxSOx、COCO等。等。 各种塑料及相近制品在环境中被预期降解的时间各种塑料及相近制品在环境中被预期降解的时间制制 品品 自动售自动售 铝罐铝罐 聚乙烯泡聚乙烯泡 可处置可处置 木制筷子木制筷子 塑料瓶塑料瓶 货机杯货机杯 沫杯沫杯/ /盘盘 尿布尿布 （PET）时间时间/ /a a 20 20 100 100 500 500 20 20 20 20 100100 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，难以分拣回收再利用。分拣回收再利用。 生态环境

5、危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小，抗生态环境危害大。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、养殖业都有很大的病力差；残膜随风飘动，对周围环境、畜牧业、养殖业都有很大的影响影响现在学习的是第4页，共57页 数量如此巨大的塑料垃圾对生态和环境产生了数量如此巨大的塑料垃圾对生态和环境产生了严重的影响，由此引发的环境问题将日益严重。严重的影响，由此引发的环境问题将日益严重。许许多国家已开始用生物可降解塑料代替部分石油化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，禁用某些工合成塑料，并陆续颁布了一些法规，禁用某些塑料制品。塑料

6、制品。 如意大利已立法规定自如意大利已立法规定自19911991年起所有包装用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的塑料制品。便餐盒等不可降解的塑料制品。 当前，生产降解塑料的国家主要有美国、意当前，生产降解塑料的国家主要有美国、意大利、德国、加拿大、日本、中国等。大利、德国、加拿大、日本、中国等。现在学习的是第5页，共57页 美国是开发降解塑料的主要国家之一，主要有十几家单位美国是开发降解塑料的主要国家之一，主要有十几家单位，如塑料降解研究联合体（，如塑料降解研究联合体（PDRCPDRC）、生物）、生物/ /环境降

7、解塑料研环境降解塑料研究会（究会（BEOPSBEOPS）等，）等，其宗旨在于进行有关降解材料合成、加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的建立。工工艺、降解试验、测试技术和方法标准体系的建立。 近年日本相继成立了生物降解塑料研究会、生物降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，解塑料实用化检讨委员会，日本通产省已将生物降解塑料日本通产省已将生物降解塑料作为继金属材料、无机材料、高分子材料之后的作为继金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新第四类新材料材料”。 欧洲欧洲Bhre-EuraeBhre-Eurae更是对生物降解塑

8、料建立了完善的降解评更是对生物降解塑料建立了完善的降解评价体系。价体系。现在学习的是第6页，共57页 生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动能很快降解的高分子材料。能很快降解的高分子材料。按其降解特性可分为完全生物降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。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、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。微生物合成材料、化学合成材料、掺混型材料等。 天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等天然高分子型是利用淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等

9、天然高分子材料制备的生物降解材料。天然高分子材料制备的生物降解材料。这类物质来源丰富，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。可完全生物降解，而且产物安全无毒性，日益受到重视。 美国美国Warner-LambertWarner-Lambert公司开发了由公司开发了由70%70%支链淀粉和支链淀粉和30%30%直链淀直链淀粉制成的新型树脂，粉制成的新型树脂，有良好的生物降解性，可替代农业上使用有良好的生物降解性，可替代农业上使用的各种生物降解材料。的各种生物降解材料。现在学习的是第7页，共57页 在众多的生物可降解材料中，采用微生物发酵法生产的在众多的生物可降解材料中

10、，采用微生物发酵法生产的聚聚-羟基烷酸（简称羟基烷酸（简称PHAsPHAs），），成为应用环境生物学方面的成为应用环境生物学方面的一个研究的热点。一个研究的热点。其中，其中，-羟基丁酸（简称羟基丁酸（简称PHBPHB）及及3-3-羟基羟基丁酸与丁酸与3-3-羟基戊酸的共聚物羟基戊酸的共聚物 简称简称P(3HB-co-3HV)P(3HB-co-3HV)或或PHBVPHBV是是PHAsPHAs族中研究和应用最广泛的两种多聚体。族中研究和应用最广泛的两种多聚体。 聚聚-羟基烷酸（羟基烷酸（PHAsPHAs）作为一种有光学活性的聚酯，作为一种有光学活性的聚酯，除具有高分子化合物的基本特性，如质轻、弹性

11、、可塑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、抗射性等外，性、耐磨性、抗射性等外，更重要的是它还具有生物可降更重要的是它还具有生物可降解性和生物可相容性。解性和生物可相容性。现在学习的是第8页，共57页 已有研究表明，采用已有研究表明，采用PHAsPHAs制作的香波瓶，在自然环境中制作的香波瓶，在自然环境中9 9个月后，可基本上被完全降解，而同样用合成塑料制作的物个月后，可基本上被完全降解，而同样用合成塑料制作的物品，完全降解时间约需品，完全降解时间约需100100年。年。因此，研究和开发聚因此，研究和开发聚-羟基烷酸羟基烷酸（PHAsPHAs），使之成为同类用途的石化合成

12、塑料最有潜在的替，使之成为同类用途的石化合成塑料最有潜在的替代品，可避免或减少塑料废物对环境的污染，具有深远的环代品，可避免或减少塑料废物对环境的污染，具有深远的环境意义。境意义。现在学习的是第9页，共57页第二节第二节 PHAsPHAs的结构、物理化学性质和应用的结构、物理化学性质和应用 O CH CH2 C nORR R为甲基时，单体为为甲基时，单体为-羟基丁（羟基丁（HBHB）；）；R R为乙基时，单体为为乙基时，单体为-羟基戊酸（羟基戊酸（HVHV）；）；R R为丙基时，单体为为丙基时，单体为-羟基己酸（羟基己酸（HCHC）；）；R R为丁基时，单体为为丁基时，单体为-羟基庚酸（羟基庚

13、酸（HHHH）；）； n n为单体的数目。为单体的数目。 R R为甲基时，其聚合物为为甲基时，其聚合物为-羟基丁酸（羟基丁酸（PHBPHB） ， R R为乙基时，为乙基时，其聚合物为其聚合物为-羟基戊酸（羟基戊酸（PHVPHV）；）；其他依次类推。其他依次类推。PHAs的通式可写成的通式可写成：现在学习的是第10页，共57页 多种微生物在一定条件下能在细胞内积累聚多种微生物在一定条件下能在细胞内积累聚-羟基烷酸羟基烷酸（PHAsPHAs）作为碳源和能源的贮存物。作为碳源和能源的贮存物。 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，有些多聚物的相

14、对分子质量可高达些多聚物的相对分子质量可高达2 210106 6。 每个每个PHAPHA颗粒含有数千条多聚体链。这些多聚物的物理化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、熔点、玻璃态温度和抗溶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的组成有极大的关系。剂性等与单体的组成有极大的关系。 例如例如3-3-羟基丁酸与羟基丁酸与3-3-羟基戊酸的（羟基戊酸的（PHBVPHBV）共聚物中）共聚物中-羟羟基戊酸组分的增加可使熔点从基戊酸组分的增加可使熔点从180180o oC C（PHBPHB）降至降至7575o oC C。现在学习的是第11页，共5

15、7页 多数有关细菌聚多数有关细菌聚-羟基烷酸（羟基烷酸（PHAsPHAs）的物理化学性质的研究的物理化学性质的研究是针对是针对-羟基丁酸（羟基丁酸（PHBPHB）及及3-3-羟基丁酸与羟基丁酸与3-3-羟基戊酸的共聚物羟基戊酸的共聚物（PHBVPHBV）两种聚合物进行的。两种聚合物进行的。 PHBPHB是高度结晶的晶体，其物理性质以及分子结构上与聚丙烯是高度结晶的晶体，其物理性质以及分子结构上与聚丙烯（PPPP）很相似，例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而很相似，例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而PHBPHB具有相对密度大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学具有相对密度大、透

16、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。活性、阻湿性和压电性等优点。 聚聚-羟基烷酸（羟基烷酸（PHAsPHAs）的生物降解性和生物相容性是许多化学的生物降解性和生物相容性是许多化学合成塑料所不具备的。合成塑料所不具备的。PHAsPHAs这类热塑性聚酯能纺丝、压膜或注塑，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，在医药方面的应用由于有在工业上可用作各类包装材料等，在医药方面的应用由于有生物相容性的特点，可作外科缝线、骨骼代用品或骨板，手生物相容性的特点，可作外科缝线、骨骼代用品或骨板，手术后无需取出。术后无需取出。 现在学习的是第12页，共57页 研究

17、还发现研究还发现PHBPHB的降解产物的降解产物D(-)-3-D(-)-3-羟基丁酸是所有高等动物中的一种普遍存羟基丁酸是所有高等动物中的一种普遍存在的中间产物，在的中间产物，在原核生物和真核生物中发现的含有在原核生物和真核生物中发现的含有100-200100-200个单体的小分子量个单体的小分子量PHBPHB，具有作为细胞膜离子通道组成的作用，并且在人体的血浆中也检测到它的大具有作为细胞膜离子通道组成的作用，并且在人体的血浆中也检测到它的大量存在。量存在。所以，植入哺乳动物组织的所以，植入哺乳动物组织的-羟基丁酸（羟基丁酸（PHBPHB）不会对机体产生毒不会对机体产生毒性。性。 表表8-2-

18、2 8-2-2 PHAsPHAs的应用的应用 应用范围应用范围 PHAsPHAs的应用的应用 外科缝线、肘钉、拭子等；伤口敷外科缝线、肘钉、拭子等；伤口敷 料；血管替代品；骨骼替代品和骨料；血管替代品；骨骼替代品和骨 医药上医药上 板（由于压电效应能促进骨骼生长）；板（由于压电效应能促进骨骼生长）； 长效药物的生物降解载体长效药物的生物降解载体 长效除莠剂、抗真菌剂、杀虫剂；长效除莠剂、抗真菌剂、杀虫剂； 肥料等的生物降解载体；容器、瓶、肥料等的生物降解载体；容器、瓶、 工业上工业上 袋、薄膜等包装材料；妇女卫生用品、袋、薄膜等包装材料；妇女卫生用品、 尿布等；合成手性化合物的前体原料尿布等；

19、合成手性化合物的前体原料现在学习的是第13页，共57页第三节第三节 PHAsPHAs的生物合成的生物合成一、合成一、合成PHAsPHAs的主要微生物的主要微生物二、合成二、合成PHAsPHAs的主要基质的主要基质三、三、 PHAsPHAs的代谢途径与调控的代谢途径与调控现在学习的是第14页，共57页一、合成一、合成PHAsPHAs的主要微生物的主要微生物 能产生聚能产生聚-羟基烷酸（羟基烷酸（PHAsPHAs）微生物分布极广，包括光能和微生物分布极广，包括光能和化能自养及异养菌，计化能自养及异养菌，计6565个属中的近个属中的近300300种微生物。种微生物。 目前研究较多的用于合成目前研究较

20、多的用于合成PHAsPHAs的微生物有：产碱杆菌属，假的微生物有：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。它们能分别利单胞菌属，甲基营养菌，固氮菌属和红螺菌属等。它们能分别利用不同的碳源产生不同的用不同的碳源产生不同的PHAsPHAs。 在多数情况下微生物能利用糖加丙酸或戊酸产生在多数情况下微生物能利用糖加丙酸或戊酸产生PHBVPHBV的，并的，并可通过改变两者的配比控制共聚物中可通过改变两者的配比控制共聚物中HBHB和和HVHV的比例。的比例。但丙酸或但丙酸或戊酸价格高，且对细菌有毒，因而在培养液中的浓度必须控制戊酸价格高，且对细菌有毒，因而在培养液中的浓度必须控制很低，产

21、率及转化率都不高，这些也是生产上的不利因素。很低，产率及转化率都不高，这些也是生产上的不利因素。现在学习的是第15页，共57页 上个世纪上个世纪9090年代以来发现，在分类上属于红球菌属、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的一些菌能利用葡萄糖或其他单诺卡氏菌属和棒杆菌属中的一些菌能利用葡萄糖或其他单一碳源产生含一碳源产生含HBHB和和HVHV的的PHAPHA。 上个世纪末，有人观察到真养产碱杆菌上个世纪末，有人观察到真养产碱杆菌H H1616的异亮氨酸缺陷的异亮氨酸缺陷型突变株型突变株R R8 8能从单一的无关连碳源例如果糖或葡萄糖酸等产能从单一的无关连碳源例如果糖或葡

22、萄糖酸等产生生PHBVPHBV。以果糖为碳源时，共聚物占细胞干重的以果糖为碳源时，共聚物占细胞干重的47%47%。 这些发现不仅给这些发现不仅给PHAPHA生物合成和调节机制的研究增加了新生物合成和调节机制的研究增加了新的内容，而且对探索从廉价的单一碳源生产的内容，而且对探索从廉价的单一碳源生产PHBVPHBV方面开辟了方面开辟了一条新的途径。一条新的途径。 现在学习的是第16页，共57页 选择工业生产选择工业生产PHAsPHAs的菌种可以考虑以下几个因素，主要包括细菌能利用的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的能力、生长速率、多聚物合成速率和能在细胞内最大积累多聚物廉价碳源

23、的能力、生长速率、多聚物合成速率和能在细胞内最大积累多聚物的程度。的程度。 如英国如英国ICIICI公司分别对固氮菌、甲基营养菌和真氧产碱杆菌进行了公司分别对固氮菌、甲基营养菌和真氧产碱杆菌进行了考察：考察： 首先，放弃了固氮菌、首先，放弃了固氮菌、因为这类菌还会产生多糖，从而降低了因为这类菌还会产生多糖，从而降低了-羟基丁羟基丁酸（酸（PHBPHB）的产率。的产率。 其次，否定了甲基营养菌，其次，否定了甲基营养菌，这类菌的这类菌的PHBPHB产率不高，胞内产率不高，胞内PHBPHB含量仅为含量仅为65%65%左右。左右。 第三，舍去了甲醇，第三，舍去了甲醇，虽然甲醇的价格低，但转化系数也低，

24、虽然甲醇的价格低，但转化系数也低， 经考察，最终选择了真养产碱杆菌作为经考察，最终选择了真养产碱杆菌作为PHAsPHAs的生产菌株，因为该菌的生产菌株，因为该菌株生长快、易培养、胞内株生长快、易培养、胞内PHBPHB含量高、聚合物的分子量大以及能利用各种较含量高、聚合物的分子量大以及能利用各种较经济的碳源。经济的碳源。现在学习的是第17页，共57页二、合成二、合成PHAsPHAs的主要基质的主要基质 1.1.糖质碳源糖质碳源 可用来工业化生产可用来工业化生产PHAPHA的糖质碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、的糖质碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。淀粉等。 （1 1）葡萄糖）葡萄糖 真养产碱杆菌野生株

25、真养产碱杆菌野生株H H1616利用果糖积累利用果糖积累PHBPHB，其利用葡萄糖的变异株已用于工业生产其利用葡萄糖的变异株已用于工业生产PHBPHB。 如凯姆等人采用细胞密度培养的方法，通过在线葡萄糖浓度的如凯姆等人采用细胞密度培养的方法，通过在线葡萄糖浓度的控制，首先使菌体平衡生长至控制，首先使菌体平衡生长至7070g/Lg/L，再让其积累再让其积累PHBPHB，50h50h细胞浓细胞浓度达度达164164g/Lg/L，干细胞中干细胞中PHBPHB含含76%76%，发酵液中含量为，发酵液中含量为121121g/Lg/L，PHBPHB的生产强度为的生产强度为2.422.42g/g/（ Lh

26、Lh ），），是目前世界上已报道的最是目前世界上已报道的最高记录。高记录。 现在学习的是第18页，共57页（2 2）蔗糖及糖蜜）蔗糖及糖蜜 肥大产碱杆菌能利用蔗糖积累肥大产碱杆菌能利用蔗糖积累-羟基丁酸（羟基丁酸（PHBPHB），），采用分批补料培养采用分批补料培养的方法积累的的方法积累的PHBPHB量达量达60 60 g/Lg/L以上，目前已中试生产的水平为以上，目前已中试生产的水平为1515m m3 3反应器每周生反应器每周生产产1 1tPHBtPHB。该菌的特点是生长较快，能利用廉价的甜菜或甘蔗糖蜜，并且细该菌的特点是生长较快，能利用廉价的甜菜或甘蔗糖蜜，并且细胞生长与胞生长与PHBPH

27、B的积累同步。的积累同步。 但是，使用糖蜜作基质还很有争议。但是，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培格认为，用甜菜糖蜜作基质其价格是葡萄糖的是葡萄糖的1/21/2，而而ICIICI公司认为糖本身虽然价格较低，但杂质多，增加了公司认为糖本身虽然价格较低，但杂质多，增加了PHBPHB积累的难度，为了提高积累的难度，为了提高PHBPHB含量，糖蜜原料需精制，这就增加了成本。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

28、含糖量较低（通常含糖品，储运不易，再有糖蜜含糖量较低（通常含糖50%50%以下），如用来作细胞的高密以下），如用来作细胞的高密度培养还需补加纯糖，这也会影响成本，度培养还需补加纯糖，这也会影响成本，所以从使用糖蜜的总效益综合考虑，尽所以从使用糖蜜的总效益综合考虑，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。管糖蜜本身廉价，用于实际生产上仍有许多困难需要克服。现在学习的是第19页，共57页 2 2. .甲醇甲醇 甲醇是最便宜的基质之一，但由于甲醇菌积累甲醇是最便宜的基质之一，但由于甲醇菌积累PHBPHB含量不高，含量不高，加大了加大了PHBPHB回收过程的成本，而且回收过程的成本，而且

29、PHBPHB的分子量较小，故的分子量较小，故ICIICI公司公司放弃了这条路线。放弃了这条路线。 但由于甲醇价格低，仍然吸引人们寻求新的菌种和开但由于甲醇价格低，仍然吸引人们寻求新的菌种和开发更有效的培养方法。发更有效的培养方法。 凯姆等使用嗜有机甲基杆菌，在微机辅助的自动补料分批培凯姆等使用嗜有机甲基杆菌，在微机辅助的自动补料分批培养系统中，在限钾的条件下（养系统中，在限钾的条件下（2525mg/Lmg/L）大量生产大量生产PHBPHB，甲醇甲醇浓度维持在浓度维持在2-32-3g/Lg/L时不抑制细胞的生长，培养时不抑制细胞的生长，培养7070h h细胞浓度高达细胞浓度高达250250g/L

30、g/L，是当今高密度培养产是当今高密度培养产PHBPHB细胞浓度的最高记录。细胞浓度的最高记录。 现在学习的是第20页，共57页 3 3气体气体H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2 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H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2产生产生-羟基羟基丁酸（丁酸（PHBPHB），），其中其中H H2 2作为能源，作为能源，COCO2 2是碳源。是碳源。 H H2 2是一种干净的可再生资源。通过同化是一种干净的可再生资源。通过同化COCO2 2生产生物降解塑料，可以生产生物降解塑料，可以同时解决温室效应及废弃的非降解塑料的危害等

31、两个严重的环境污染问同时解决温室效应及废弃的非降解塑料的危害等两个严重的环境污染问题。题。但在技术上要解决混合气体爆鸣的安全问题和气体的循环利但在技术上要解决混合气体爆鸣的安全问题和气体的循环利用问题。用问题。 控制基质气相中氧的浓度低于气体爆炸的下限（控制基质气相中氧的浓度低于气体爆炸的下限（6.9%6.9%）是安）是安全的，而循环气体的闭路培养体系能有效地利用气体。全的，而循环气体的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田中等人研究了真养产碱杆菌利用H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2 的高密度培养产的高密度培养产PHBPHB的最新结果是，在限氧条件下培养的

32、最新结果是，在限氧条件下培养4040h h，细胞浓度和细胞浓度和PHBPHB浓度分别达浓度分别达到到91.391.3g/Lg/L和和61.961.9g/Lg/L。现在学习的是第21页，共57页 4 4烷烃及其衍生物烷烃及其衍生物 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（生中等链长羟基烷酸的共聚物（PHAPHAMCLMCL），），而共聚物中单体的而共聚物中单体的组成与基质碳架的长度有关。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，通过优化培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

33、的转移率，稳定态细胞浓度增至养基和增加氧的转移率，稳定态细胞浓度增至11.611.6g/Lg/L，用传氧很有效的反应器作分批补料培养，用传氧很有效的反应器作分批补料培养，3838h h细胞浓度为细胞浓度为37.1 37.1 g/Lg/L， PHA PHA占细胞干重的占细胞干重的33%33%。 如通纯氧以适应细胞对氧的需要、用辛酸分批补料培如通纯氧以适应细胞对氧的需要、用辛酸分批补料培养养4545h h，细胞浓度为细胞浓度为41.8 41.8 g/Lg/L， PHA PHA占细胞干重的占细胞干重的37.1%37.1%。现在学习的是第22页，共57页三、三、PHAsPHAs 的代谢途径与调控的代谢

34、途径与调控 研究表明，许多微生物在碳源过量而其他某种营养成分，如氮、磷、研究表明，许多微生物在碳源过量而其他某种营养成分，如氮、磷、镁或氧不足时，能在细胞内大量积累聚镁或氧不足时，能在细胞内大量积累聚-羟基烷酸羟基烷酸，以作为碳源和能源以作为碳源和能源的贮存物。的贮存物。 当限制性营养物再次被提供时，当限制性营养物再次被提供时，PHAsPHAs 能被细胞内酶降解后作为碳能被细胞内酶降解后作为碳源和能源利用。源和能源利用。 细胞中积累的细胞中积累的PHAsPHAs以单个粒子的形态存在，不同微生物细胞含有的以单个粒子的形态存在，不同微生物细胞含有的颗粒数量及颗粒大小不同。颗粒数量及颗粒大小不同。

35、在真养产碱杆菌中，每个细胞含有在真养产碱杆菌中，每个细胞含有8 8 1010个颗粒，每个颗粒直径大小为个颗粒，每个颗粒直径大小为0.20.2 0.50.5m m。 在电子显微镜中观察到这些内含物具有高度的折光性，颗粒外面包裹着一层在电子显微镜中观察到这些内含物具有高度的折光性，颗粒外面包裹着一层膜，该膜没有生物膜那样的典型双层结构，膜中含有膜，该膜没有生物膜那样的典型双层结构，膜中含有PHAsPHAs合成酶的降解酶系统。合成酶的降解酶系统。 现在学习的是第23页，共57页 PHAPHAs s除在微生物饥饿条件下作为碳源和能源外，还为微生物在除在微生物饥饿条件下作为碳源和能源外，还为微生物在其他

36、环境压力条件下（如渗透压、脱水或紫外线照射）的生存起着其他环境压力条件下（如渗透压、脱水或紫外线照射）的生存起着重要的作用。重要的作用。 一般说来，在恶劣环境下含有一般说来，在恶劣环境下含有PHAPHAs s的细胞微生物比不含的细胞微生物比不含PHAPHAs s的细胞具有更高的存活率。的细胞具有更高的存活率。 最近研究发现，最近研究发现，PHAPHAs s除了作为细胞内贮物的生理作用外，还是除了作为细胞内贮物的生理作用外，还是细胞膜的结构化合物。细胞膜的结构化合物。 不同微生物合成不同微生物合成PHAPHAs s的途径不同，基质不同，其合成途径的途径不同，基质不同，其合成途径也有差异，这是微生

37、物代谢多样性的一种表现。也有差异，这是微生物代谢多样性的一种表现。现在学习的是第24页，共57页 在不同微生物中，利用不同基质合成在不同微生物中，利用不同基质合成PHAPHA的主要途径包括：的主要途径包括： （1 1）真养产碱杆菌及多数细菌利用糖作为基质合成）真养产碱杆菌及多数细菌利用糖作为基质合成PHB;PHB; （2 2）深红红螺菌利用糖作为基质合成深红红螺菌利用糖作为基质合成PHB;PHB; （3 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）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的关的HAHA单位的单位的PHAPHA； （4 4）一株产碱杆菌利用长链偶碳数脂

38、肪酸合成一株产碱杆菌利用长链偶碳数脂肪酸合成PHB;PHB; （5 5）铜绿假单胞菌等利用糖质碳源合成具有中链）铜绿假单胞菌等利用糖质碳源合成具有中链HAHA单位的单位的PHA;PHA; （6 6）真养产碱杆菌等利用糖加丙酸合成真养产碱杆菌等利用糖加丙酸合成PHBVPHBV。 现在学习的是第25页，共57页在真养产碱杆菌以及许多微生物中，在真养产碱杆菌以及许多微生物中，PHB PHB 是从已酰是从已酰CoACoA通过三步反应合成。通过三步反应合成。 一是由生物合成的一是由生物合成的-酮基硫酯酶催化两个已酰酮基硫酯酶催化两个已酰CoACoA的的cccc结合；结合； 二是由依赖二是由依赖NADPH

39、NADPH的已酰已酰的已酰已酰CoACoA还原酶催化产生还原酶催化产生D(-)3-D(-)3-羟基丁酰羟基丁酰CoACoA ； 三是由三是由PHBPHB聚合酶将聚合酶将D(-)3-D(-)3-羟基丁酰羟基丁酰CoACoA连接到连接到PHBPHB 正在增长的链上。正在增长的链上。现在学习的是第26页，共57页第四节第四节 PHAsPHAs的发酵生产的发酵生产一、一、 PHAsPHAs的流加发酵的流加发酵二、二、 PHBPHB发酵过程中理论产率的计算发酵过程中理论产率的计算现在学习的是第27页，共57页一、一、 PHAsPHAs的流加发酵的流加发酵 阻碍聚阻碍聚-羟基烷酸（羟基烷酸（PHAsPHA

40、s）实现大规模工业化生产的主要实现大规模工业化生产的主要障碍是生产成本问题。影响障碍是生产成本问题。影响PHAsPHAs生产成本的主要因素有菌种、生产成本的主要因素有菌种、原料、操作方式以及提取方法等。原料、操作方式以及提取方法等。 所以，降低所以，降低PHAsPHAs的生产成本主要考虑以下几点：的生产成本主要考虑以下几点： 其一，采用廉价基质（如其一，采用廉价基质（如COCO2 2、H H2 2和和O O2 2或甲醇、乙醇、葡萄糖及或甲醇、乙醇、葡萄糖及来自农业废物的有机酸等）和提高最终产物对基质的产率系数，以降低来自农业废物的有机酸等）和提高最终产物对基质的产率系数，以降低发酵原材料的成本

41、。发酵原材料的成本。 其二，提高生产强度（如选育高产菌株，采用合适的发酵生其二，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。产方式等），以降低操作成本。 其三，改进提取、纯化技术（如不采用价格昂贵的有机溶剂其三，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。、简化操作等），以降低提取成本。现在学习的是第28页，共57页 除上述除上述3 3点外，还应采用适宜的发酵生产方式，这是提点外，还应采用适宜的发酵生产方式，这是提高聚合物的生产率和改进其质量的关键。高聚合物的生产率和改进其质量的关键。 现代发酵工业中，绝大多数的培养均采用纯种液体

42、培养方法，现代发酵工业中，绝大多数的培养均采用纯种液体培养方法，液体培养的操作方法主要有间歇（分批）培养、连续培养和流加液体培养的操作方法主要有间歇（分批）培养、连续培养和流加培养培养3 3种。种。 细胞的分批培养是一种间歇培养方式。在培养时，培养系细胞的分批培养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，与外界没有其他的物料交换。在分批培养中，细胞浓度、基质浓度和产没有其他的物料交换。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。物浓度均不断发生变化。现在学习的是第29页，共57页

43、连续培养的方法是将新鲜的培养基连续地加入有均连续培养的方法是将新鲜的培养基连续地加入有均匀培养液的反应器中，同时排出发酵液，使培养环境如底物匀培养液的反应器中，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，保持培养的稳定状态。而变化，保持培养的稳定状态。在连续培养中，任何一种营在连续培养中，任何一种营养成分都可以用作限制性底物。养成分都可以用作限制性底物。 所谓流加培养，又称半连续发酵，是指在培养过程中不断向所谓流加培养，又称半连续发酵，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

44、的培养方法。反应器内加入培养基，但不同时取出培养液的培养方法。它是一种它是一种介于分批培养和连续培养之间的培养方法。兼有两者的优点，而介于分批培养和连续培养之间的培养方法。兼有两者的优点，而又克服了两者的缺点。又克服了两者的缺点。和传统的分批培养相比，流加培养可以和传统的分批培养相比，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，解除底物抑制、葡萄糖效应、代谢阻遏等；与连续培养相比，流加培养的染菌可能性小，也不易产生菌种老化变异等。流加培养的染菌可能性小，也不易产生菌种老化变异等。现在学习的是第30页，共57页 所谓限制性底物，是指在培养微生物的营养物质中，对微生所谓限制性

45、底物，是指在培养微生物的营养物质中，对微生物的生长起到限制作用的营养物。物的生长起到限制作用的营养物。 由于许多微生物只有在氮、磷或氧等缺乏而碳源过量的不平衡由于许多微生物只有在氮、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生长条件下才能大量积累PHAsPHAs，所以在所以在PHAsPHAs的发酵生产中，一般的发酵生产中，一般可将发酵过程分成两个阶段来进行控制：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，而多聚体成大量菌体，而多聚体PHAsPHAs的积累量很少；的积累量很

46、少； 第二阶段为多聚体形成阶段，在此阶段第二阶段为多聚体形成阶段，在此阶段PHAsPHAs大量形成而菌大量形成而菌体细胞基本上不繁殖。体细胞基本上不繁殖。现在学习的是第31页，共57页 在简单分批培养过程中，当菌体生长进行到一定浓度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的浓度可能成为菌体细时，培养基中一种或几种营养物质的浓度可能成为菌体细胞进一步繁殖的限制因素，胞进一步繁殖的限制因素，而简单地增加该种营养物质的而简单地增加该种营养物质的初始浓度不可能导致菌体生长量的相应增加，相反某些成分初始浓度不可能导致菌体生长量的相应增加，相反某些成分在较高浓度时对细胞

47、会产生毒害作用，在较高浓度时对细胞会产生毒害作用，另一些还可能形成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的细胞干重以及沉淀，因而采用分批发酵法不能获得很高的细胞干重以及高的产物浓度和生产强度。高的产物浓度和生产强度。 而采用流加发酵法进行而采用流加发酵法进行PHAsPHAs的生产时，就可以在某些必需的生产时，就可以在某些必需的营养成分成为生长限制因素之前，对其进行定量流加，延长细的营养成分成为生长限制因素之前，对其进行定量流加，延长细胞的对数生长期，从而可获得较高的菌体浓度。胞的对数生长期，从而可获得较高的菌体浓度。 现在学习的是第32页，共57页 （一）（一） 采用流加培养法生

48、产采用流加培养法生产PHBPHB 在实际应用中，通常选择限制培养基中的氮源作为流加控在实际应用中，通常选择限制培养基中的氮源作为流加控制的手段，因为微生物的生长对氮源的依赖比对其他离子更强，制的手段，因为微生物的生长对氮源的依赖比对其他离子更强，微生物对氮源的同化作用也比其他离子更快。微生物对氮源的同化作用也比其他离子更快。 研究发现，在流加培养过程中，控制恰当的碳氮比相当重要。研究发现，在流加培养过程中，控制恰当的碳氮比相当重要。为什么？为什么？ 在在PHBPHB 合成阶段开始时，采用较低的碳氮比可以保持细合成阶段开始时，采用较低的碳氮比可以保持细胞具有较高的胞具有较高的PHBPHB合成能力

49、，合成能力，随着胞内随着胞内PHBPHB 含量的增加，微生含量的增加，微生物细胞的物细胞的PHBPHB合成能力下降，这时可逐渐增加培养基中的碳氮合成能力下降，这时可逐渐增加培养基中的碳氮比。比。 现在学习的是第33页，共57页 在流加培养过程中，可以通过在线检测尾气中在流加培养过程中，可以通过在线检测尾气中COCO2 2浓度，浓度，来间接估计胞内来间接估计胞内PHBPHB含量，达到适时控制培养过程中碳含量，达到适时控制培养过程中碳氮比的目的。氮比的目的。 真氧产碱杆菌真氧产碱杆菌A.eutrophusA.eutrophus是到目前为止对其动力学和是到目前为止对其动力学和代谢途径研究得较为透彻的

50、、也是唯一已用于工业过程代谢途径研究得较为透彻的、也是唯一已用于工业过程来生产多聚体的一类微生物，来生产多聚体的一类微生物，此菌能利用多种基质如葡此菌能利用多种基质如葡萄糖、果糖、乙酸、丁酸或萄糖、果糖、乙酸、丁酸或H H2 2、O O2 2和和COCO2 2的混合气体等来合的混合气体等来合成成PHBPHB。现在学习的是第34页，共57页 通过对真氧产碱杆菌其生长过程的动力学研究发现，在通过对真氧产碱杆菌其生长过程的动力学研究发现，在菌体生长阶段和菌体生长阶段和PHBPHB形成阶段之间存在一短暂的过度阶段，形成阶段之间存在一短暂的过度阶段，此过此过程阶段在氮源耗尽的同时形成，仅维持不到一个世代