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1、第8章可降解塑料的生物合成第1页，此课件共54页哦第一节第一节 可降解塑料概述可降解塑料概述 石石化化工工业业的的兴兴起起，使使得得石石油油化化工工合合成成塑塑料料在在人人类类生生活活中中扮扮演演着着重重要要的的角角色色，7070年年代代以以来来，塑塑料料工工业业得得到到迅迅猛猛的的发发展展，无无论论工工业业、农农业业、建建筑筑业业、还还是是人们的日常生活，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。但但目目前前所所使使用用的的化化学学合合成成塑塑料料在在自自然然环环境境中中很很难难分分解解，也也不不会会被被腐腐蚀蚀，燃燃烧烧处处理理又又会会产产生生有有害害气气体，越来越多的塑料垃
2、圾却对环境造成巨大的危害。体，越来越多的塑料垃圾却对环境造成巨大的危害。第2页，此课件共54页哦 普普通通塑塑料料是是以以合合成成树树脂脂为为主主的的化化学学合合成成材材料料。对对环环境境污污染染具具有有以以下特点：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，倾入海洋亿吨，倾入海洋的塑料垃圾达数的塑料垃圾达数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我国农用薄膜为3030万吨，万吨，19
3、901990年为年为5050万吨，万吨，20052005年，中国年，中国包装用塑料需求量达到了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塑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。我国可覆盖地我国可覆盖地膜的面积为膜的面积为5 5亿多亩，需求量已达到亿多亩，需求量已达到100100万。万。第3页，此课件共54页哦 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；燃烧时产生大量有毒气体，如性。埋地里处理百年
4、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。生态环境危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小，抗病生态环境
5、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、养殖业都有很大的影响力差；残膜随风飘动，对周围环境、畜牧业、养殖业都有很大的影响第4页，此课件共54页哦 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工合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。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如意大利已立法规定自199119
6、91年起所有包装用塑料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。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。第5页，此课件共54页哦 美国是开发降解塑料的主要国家之一，主要有十几家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（单位，如塑料降解研究联合体（PDRCPDRC）、生物）、生物/环境降解塑环境降解塑料研究会（料研究会（BEOPSBEOPS）等，）等，其宗
7、旨在于进行有关降解材料合成、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。加工工艺、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、生物降解塑料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，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、高分子材料之后的属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材料第四类新材料”。欧洲欧洲Bhre-EuraeBhre-Eurae更是对生物降解塑料建立了完善的降解更是对生物降解塑料建立了完善的降解评价体系。评价体系。第
8、6页，此课件共54页哦 生生物物降降解解塑塑料料是是指指在在自自然然环环境境下下通通过过微微生生物物的的生生命命活活动动能能很很快快降降解解的的高高分分子子材材料料。按按其其降降解解特特性性可可分分为为完完全全生生物物降降解解塑塑料料和和生生物物破破坏坏性性塑塑料料。按按其其来来源源则则可可分分为为天天然然高高分分子子材材料料、微微生生物物合合成材料、化学合成材料、掺混型材料等。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材料制备的生物降解材料。等天然高分子材料制备的生物降解材料。这类物质来源丰富，
9、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。用的各种生物降解材料。第7页，此课件共54页哦 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，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
10、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-羟羟基基烷烷酸酸（PHAsPHAs）作作为为一一种种有有光光学学活活性性的的聚聚酯酯，除除具具有有高高分分子子化化合合物物的的基基本本特特性性，如如质质轻轻、弹弹性性、可可塑塑性性、耐耐磨磨性性、抗抗射射性性等等外外，更更重重
11、要要的的是是它它还还具具有有生生物物可可降降解解性性和和生生物物可可相容性。相容性。第8页，此课件共54页哦 已已有有研研究究表表明明，采采用用PHAsPHAs制制作作的的香香波波瓶瓶，在在自自然然环环境境中中9 9个个月月后后，可可基基本本上上被被完完全全降降解解，而而同同样样用用合合成成塑塑料料制制作作的的物物品品，完完全全降降解解时时间间约约需需100100年年。因因此此，研研究究和和开开发发聚聚-羟羟基基烷烷酸酸（PHAsPHAs），使使之之成成为为同同类类用用途途的的石石化化合合成成塑塑料料最最有有潜潜在在的的替替代代品品，可可避避免或减少塑料废物对环境的污染，具有深远的环境意义。免
12、或减少塑料废物对环境的污染，具有深远的环境意义。第9页，此课件共54页哦第二节第二节 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）
13、，R R为乙基时，其为乙基时，其聚合物为聚合物为-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：第10页，此课件共54页哦 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-羟基烷羟基烷酸（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，有些我们采用溶剂法从不同细菌中可以提取这些多聚物，有些多聚物的相对分子质量可高达多聚物的相对分子质量可高达2102106 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
14、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-羟基羟基戊酸组分的增加可使熔点从戊酸组分的增加可使熔点从180180o oC C（PHBPHB）降至降至7575o oC C。第11页，此课件共54页哦 多多数数有有关关细细菌菌聚聚-羟羟基基烷烷酸酸（PHAsPHAs）的的物物理理化化学学性性质质的的研研究究是是针针对对-羟羟基基丁丁酸酸（PHBPHB
15、）及及3-3-羟羟基基丁丁酸酸与与3-3-羟羟基基戊戊酸酸的的共共聚聚物物（PHBVPHBV）两种聚合物进行的。两种聚合物进行的。PHBPHB是是高高度度结结晶晶的的晶晶体体，其其物物理理性性质质以以及及分分子子结结构构上上与与聚聚丙丙烯烯（PPPP）很很相相似似，例例如如熔熔点点、玻玻璃璃态态温温度度、结结晶晶度度、抗抗张张强强度度等等，而而PHBPHB具具有有相相对对密密度度大大、透透氧氧率率低低和和抗抗紫紫外外线线照照射射以以及及具具有有光光学学活活性性、阻阻湿性和压电性等优点。湿性和压电性等优点。聚聚-羟羟基基烷烷酸酸（PHAsPHAs）的的生生物物降降解解性性和和生生物物相相容容性性
16、是是许许多多化化学学合合成成塑塑料料所所不不具具备备的的。PHAsPHAs这这类类热热塑塑性性聚聚酯酯能能纺纺丝丝、压压膜膜或或注注塑塑，在在工工业业上上可可用用作作各各类类包包装装材材料料等等，在在医医药药方方面面的的应应用用由由于于有有生生物物相相容容性性的的特特点点，可可作作外外科科缝缝线线、骨骨骼骼代代用用品品或或骨骨板，手术后无需取出。板，手术后无需取出。第12页，此课件共54页哦 研研究究还还发发现现PHBPHB的的降降解解产产物物D(-)-3-D(-)-3-羟羟基基丁丁酸酸是是所所有有高高等等动动物物中中的的一一种种普普遍遍存存在在的的中中间间产产物物，在在原原核核生生物物和和真
17、真核核生生物物中中发发现现的的含含有有100-200100-200个个单单体体的的小小分分子子量量PHBPHB，具具有有作作为为细细胞胞膜膜离离子子通通道道组组成成的的作作用用，并并且且在在人人体体的的血血浆浆中中也也检检测测到到它它的的大大量量存存在在。所所以以，植植入入哺哺乳乳动动物物组组织织的的-羟羟基基丁丁酸酸（PHBPHB）不不会会对对机机体体产产生生毒毒性。性。表表8-2-2 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
18、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；合成手性化合物的前体原料第13页，此课件共54页哦第三节第三节 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、PH
19、AsPHAs的代谢途径与调控的代谢途径与调控第14页，此课件共54页哦一、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，包括光能微生物分布极广，包括光能和化能自养及异养菌，计和化能自养及异养菌，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多的用于合成PHAsPHAs的微生物有：产碱杆菌属，假单的微生物有：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。它们能分别利用胞菌属，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不同的碳源产生不
20、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，的，并可通过改变两者的配比控制共聚物中并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很低，产率及转化率都不高，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。第15页，此课件共54页哦 上上个个世世纪纪9090年年代代以以来来发发现现，在在分分类类上上属属于于红红球球菌菌属属、诺诺卡卡氏氏菌菌属
21、属和和棒棒杆杆菌菌属属中中的的一一些些菌菌能能利利用用葡葡萄萄糖糖或或其其他他单单一一碳碳源源产产生含生含HBHB和和HVHV的的PHAPHA。上上个个世世纪纪末末，有有人人观观察察到到真真养养产产碱碱杆杆菌菌H H1616的的异异亮亮氨氨酸酸缺缺陷陷型型突突变变株株R R8 8能能从从单单一一的的无无关关连连碳碳源源例例如如果果糖糖或或葡葡萄萄糖糖酸酸等等产产生生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%。这这些些发发现现不不仅仅给给PHAPHA生生物物合合成成和和调调节节机机制制的的研研究究增增加加了了新新的的内内容容，而而且且对对探
22、探索索从从廉廉价价的的单单一一碳碳源源生生产产PHBVPHBV方方面面开辟了一条新的途径。开辟了一条新的途径。第16页，此课件共54页哦 选选择择工工业业生生产产PHAsPHAs的的菌菌种种可可以以考考虑虑以以下下几几个个因因素素，主主要要包包括括细细菌菌能能利利用用廉廉价价碳碳源源的的能能力力、生生长长速速率率、多多聚聚物物合合成成速速率率和和能能在在细细胞胞内内最最大大积积累累多多聚聚物物的程度。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考察：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：首首先先，放放弃弃了了固固氮氮菌菌、因因为为这这类类菌菌
23、还还会会产产生生多多糖糖，从从而而降降低低了了-羟羟基基丁丁酸（酸（PHBPHB）的产率。的产率。其其次次，否否定定了了甲甲基基营营养养菌菌，这这类类菌菌的的PHBPHB产产率率不不高高，胞胞内内PHBPHB含含量量仅仅为为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，虽然甲醇的价格低，但转化系数也低，经经考考察察，最最终终选选择择了了真真养养产产碱碱杆杆菌菌作作为为PHAsPHAs的的生生产产菌菌株株，因因为为该该菌菌株株生生长长快快、易易培培养养、胞胞内内PHBPHB含含量量高高、聚聚合合物物的的分分子子量量大大以以及及能能利利用用各各种种较
24、较经济的碳源。经济的碳源。第17页，此课件共54页哦二、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
25、体平衡生长至7070g/Lg/L，再让其积累再让其积累PHBPHB，50h50h细胞细胞浓度达浓度达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 Lh），），是目前世界上已报道的是目前世界上已报道的最高记录。最高记录。第18页，此课件共54页哦（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6
26、0 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反应器每周反应器每周生产生产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，并且细胞生长与细胞生长与PHBPHB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，用甜菜糖蜜作基质培格认为，用甜菜糖蜜作基质其价格是葡萄糖的其价格是葡萄糖的1/21/2，而而ICIICI公司认为糖本身虽然价格较低，但杂质多，公司认为糖本身虽然价格较低，但杂质多，增加了增加了PHBPHB积累的难
27、度，为了提高积累的难度，为了提高PHBPHB含量，糖蜜原料需精制，这就增加含量，糖蜜原料需精制，这就增加了成本。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），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%50%以下），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，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，所以从使用糖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。蜜的总效益综合考虑
28、，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。第19页，此课件共54页哦 2 2.甲醇甲醇 甲甲醇醇是是最最便便宜宜的的基基质质之之一一，但但由由于于甲甲醇醇菌菌积积累累PHBPHB含含量量不不高高，加加大大了了PHBPHB回回收收过过程程的的成成本本，而而且且PHBPHB的的分分子子量量较较小小，故故ICIICI公司放弃了这条路线。公司放弃了这条路线。但但由由于于甲甲醇醇价价格格低低，仍仍然然吸吸引引人人们们寻寻求求新新的的菌菌种种和和开开发发更更有有效的培养方法。效的培养方法。凯凯姆姆等等使使用用嗜嗜有有机机甲甲基基杆杆菌菌，在在微微机机辅辅助助的的自自动动补补料料分分批批培培养
29、养系系统统中中，在在限限钾钾的的条条件件下下（2525mg/Lmg/L）大大量量生生产产PHBPHB，甲甲醇醇浓浓度度维维持持在在2-32-3g/Lg/L时时不不抑抑制制细细胞胞的的生生长长，培培养养7070h h细细胞胞浓浓度度高高达达250250g/Lg/L，是是当当今今高高密密度度培培养养产产PHBPHB细细胞胞浓浓度度的最高记录。的最高记录。第20页，此课件共54页哦 3 3气体气体H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2 真真养养产产碱碱杆杆菌菌等等一一些些爆爆鸣鸣气气细细菌菌能能利利用用H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2产产生生-羟羟基基丁酸（丁酸（PHBPHB），）
30、，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是是一一种种干干净净的的可可再再生生资资源源。通通过过同同化化COCO2 2生生产产生生物物降降解解塑塑料料，可可以以同同时时解解决决温温室室效效应应及及废废弃弃的的非非降降解解塑塑料料的的危危害害等等两两个个严严重重的的环环境境污污染染问问题题。但但在在技技术术上上要要解解决决混混合合气气体体爆爆鸣鸣的的安安全全问问题题和和气气体体的的循环利用问题。循环利用问题。控控制制基基质质气气相相中中氧氧的的浓浓度度低低于于气气体体爆爆炸炸的的下下限限（6.9%6.9%）是是安安全的，而循环气体的闭路培养体系能有效地利
31、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。田田中中等等人人研研究究了了真真养养产产碱碱杆杆菌菌利利用用H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2 的的高高密密度度培培养养产产PHBPHB的的最最新新结结果果是是，在在限限氧氧条条件件下下培培养养4040h h，细细胞胞浓浓度度和和PHBPHB浓浓度度分分别别达到达到91.391.3g/Lg/L和和61.961.9g/Lg/L。第21页，此课件共54页哦 4 4烷烃及其衍生物烷烃及其衍生物 假假单单胞胞菌菌能能利利用用中中等等链链长长的的烷烷烃烃或或其其衍衍生生物物醇醇、酸酸等等产产生生中中等等链链长长羟羟基基烷烷酸酸的的共共聚聚
32、物物（PHAPHAMCLMCL），而而共共聚聚物物中中单单体体的组成与基质碳架的长度有关。的组成与基质碳架的长度有关。以以辛辛烷烷作作基基质质连连续续培培养养食食油油假假单单胞胞菌菌，通通过过优优化化培培养养基基和和增增加加氧氧的的转转移移率率，稳稳定定态态细细胞胞浓浓度度增增至至11.611.6g/Lg/L，用用传传氧氧很很有有效效的的反反应应器器作作分分批批补补料料培培养养，3838h h细细胞胞浓浓度度为为37.1 37.1 g/Lg/L，PHA PHA占细胞干重的占细胞干重的33%33%。如如通通纯纯氧氧以以适适应应细细胞胞对对氧氧的的需需要要、用用辛辛酸酸分分批批补补料料培培养养45
33、45h 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%。第22页，此课件共54页哦三、三、PHAsPHAs 的代谢途径与调控的代谢途径与调控 研研究究表表明明，许许多多微微生生物物在在碳碳源源过过量量而而其其他他某某种种营营养养成成分分，如如氮氮、磷磷、镁镁或或氧氧不不足足时时，能能在在细细胞胞内内大大量量积积累累聚聚-羟羟基基烷烷酸酸，以以作作为为碳碳源源和和能能源源的的贮贮存存物。物。当当限限制制性性营营养养物物再再次次被被提提供供时时，PHAsPHAs 能能被被细细胞胞内内酶酶降降解解后后作作为为碳碳源源和和能能源利用
34、。源利用。细细胞胞中中积积累累的的PHAsPHAs以以单单个个粒粒子子的的形形态态存存在在，不不同同微微生生物物细细胞胞含含有有的的颗粒数量及颗粒大小不同。颗粒数量及颗粒大小不同。在在真真养养产产碱碱杆杆菌菌中中，每每个个细细胞胞含含有有8 8 1010个个颗颗粒粒，每每个个颗颗粒粒直直径径大大小小为为0.20.2 0.50.5m m。在在电电子子显显微微镜镜中中观观察察到到这这些些内内含含物物具具有有高高度度的的折折光光性性，颗颗粒粒外外面面包包裹裹着着一一层层膜膜，该该膜膜没没有有生生物物膜膜那那样样的的典典型型双双层层结结构构，膜膜中中含含有有PHAsPHAs合合成成酶酶的的降降解解酶酶
35、系统。系统。第23页，此课件共54页哦 PHAPHAs s除除在在微微生生物物饥饥饿饿条条件件下下作作为为碳碳源源和和能能源源外外，还还为为微微生生物物在在其其他他环环境境压压力力条条件件下下（如如渗渗透透压压、脱脱水水或或紫紫外外线线照照射射）的的生生存起着重要的作用。存起着重要的作用。一一般般说说来来，在在恶恶劣劣环环境境下下含含有有PHAPHAs s的的细细胞胞微微生生物物比比不不含含PHAPHAs s的细胞具有更高的存活率。的细胞具有更高的存活率。最最近近研研究究发发现现，PHAPHAs s除除了了作作为为细细胞胞内内贮贮物物的的生生理理作作用用外外，还还是是细胞膜的结构化合物。细胞膜
36、的结构化合物。不不同同微微生生物物合合成成PHAPHAs s的的途途径径不不同同，基基质质不不同同，其其合合成成途途径也有差异，这是微生物代谢多样性的一种表现。径也有差异，这是微生物代谢多样性的一种表现。第24页，此课件共54页哦 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）食食油油假假单单胞胞菌菌等等利利用用中中链链烃烃、醇醇及及酸
37、酸合合成成具具有有与与基基质质链链长长有关的有关的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）铜铜绿绿假假单单胞胞菌菌等等利利用用糖糖质质碳碳源源合合成成具具有有中中链链HAHA单单位位的的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。第25页，此课件共54页哦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
38、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NADPHNADPH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。第26页，此课件共54页哦第四节第四节 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第27页，此课件共54页哦一、
39、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（PHAsPHAs）实现大规模工业化生产的主要障实现大规模工业化生产的主要障碍是生产成本问题。影响碍是生产成本问题。影响PHAsPHAs生产成本的主要因素有菌种、原料、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。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
40、，以降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。低发酵原材料的成本。其二，提高生产强度（如选育高产菌株，采用合适的发酵生产方式其二，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。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。剂、简化操作等），以降低提取成本。第28页，此课件共54页哦 除除上上述述3 3点点外外，还还应应采采用用适适宜宜的的发发酵酵生生产产方方式式，这这是是提提高高聚聚合物的生产率和改进其质量的关键。合物
41、的生产率和改进其质量的关键。现现代代发发酵酵工工业业中中，绝绝大大多多数数的的培培养养均均采采用用纯纯种种液液体体培培养养方方法法，液液体体培培养养的的操操作作方方法法主主要要有有间间歇歇（分分批批）培培养养、连连续续培养和流加培养培养和流加培养3 3种。种。细胞的分批培养是一种间歇培养方式。在培养时，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，与外界没有其他的物料交换。在分批培养中，细胞气外，与外界没有其他的物料交换。在分批培养中，细胞浓度、基质浓度和产物浓度均不断发生变化。浓度、基质浓
42、度和产物浓度均不断发生变化。第29页，此课件共54页哦 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，任何一种营养在连续培养中，任何一种营养成分都可以用作限制性底物。成分都可以用作限制性底物。所所谓谓流流加加培培养养，又又称称半半连连续续发发酵酵，是是指指在在培培养养过过程程中中
43、不不断断向向反反应应器器内内加加入入培培养养基基，但但不不同同时时取取出出培培养养液液的的培培养养方方法法。它它是是一一种种介介于于分分批批培培养养和和连连续续培培养养之之间间的的培培养养方方法法。兼兼有有两两者者的的优优点点，而而又又克克服服了了两两者者的的缺缺点点。和和传传统统的的分分批批培培养养相相比比，流流加加培培养养可可以以解解除除底底物物抑抑制制、葡葡萄萄糖糖效效应应、代代谢谢阻阻遏遏等等；与与连连续续培培养养相相比，流加培养的染菌可能性小，也不易产生菌种老化变异等。比，流加培养的染菌可能性小，也不易产生菌种老化变异等。第30页，此课件共54页哦 所所谓谓限限制制性性底底物物，是是
44、指指在在培培养养微微生生物物的的营营养养物物质质中中，对对微微生物的生长起到限制作用的营养物。生物的生长起到限制作用的营养物。由由于于许许多多微微生生物物只只有有在在氮氮、磷磷或或氧氧等等缺缺乏乏而而碳碳源源过过量量的的不不平平衡衡生生长长条条件件下下才才能能大大量量积积累累PHAsPHAs，所所以以在在PHAsPHAs的的发发酵酵生生产产中，一般可将发酵过程分成两个阶段来进行控制：中，一般可将发酵过程分成两个阶段来进行控制：第第一一阶阶段段为为菌菌体体细细胞胞的的形形成成阶阶段段，在在此此阶阶段段微微生生物物利利用用基基质形成大量菌体，而多聚体质形成大量菌体，而多聚体PHAsPHAs的积累量
45、很少；的积累量很少；第第二二阶阶段段为为多多聚聚体体形形成成阶阶段段，在在此此阶阶段段PHAsPHAs大大量量形形成成而而菌菌体细胞基本上不繁殖。体细胞基本上不繁殖。第31页，此课件共54页哦 在简单分批培养过程中，当菌体生长进行到一定浓度时，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胞进一步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，繁殖的限制因素，而简单地增加该种营养物质的初始浓度不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，相反某些成分在较高浓度可能导致菌体生长量的相应增加，相反某些成分
46、在较高浓度时对细胞会产生毒害作用，时对细胞会产生毒害作用，另一些还可能形成沉淀，因而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高的产物浓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。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，需的营养成分成为生长限制因素之前，对其进行定量流加，延长细胞的对数生长期，从而可获得较高的菌体浓度。延长细胞的对数生长期，从而可获得较高的菌体浓度。第32页，此课件共54页哦 （一）（一）采用流加培养法生产
47、采用流加培养法生产PHBPHB 在在实实际际应应用用中中，通通常常选选择择限限制制培培养养基基中中的的氮氮源源作作为为流流加加控控制制的的手手段段，因因为为微微生生物物的的生生长长对对氮氮源源的的依依赖赖比比对对其其他他离离子子更更强强，微微生物对氮源的同化作用也比其他离子更快。生物对氮源的同化作用也比其他离子更快。研研究究发发现现，在在流流加加培培养养过过程程中中，控控制制恰恰当当的的碳碳氮氮比比相相当当重要。为什么？重要。为什么？在在PHBPHB 合合成成阶阶段段开开始始时时，采采用用较较低低的的碳碳氮氮比比可可以以保保持持细细胞胞具具有有较较高高的的PHBPHB合合成成能能力力，随随着着
48、胞胞内内PHBPHB 含含量量的的增增加加，微微生生物物细细胞胞的的PHBPHB合成能力下降，这时可逐渐增加培养基中的碳氮比。合成能力下降，这时可逐渐增加培养基中的碳氮比。第33页，此课件共54页哦 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，来浓度，来间接估计胞内间接估计胞内PHBPHB含量，达到适时控制培养过程中碳氮比的目含量，达到适时控制培养过程中碳氮比的目的。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、也是唯一已用于工业过程代谢途
49、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。第34页，此课件共54页哦 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，此过程阶段在氮源耗尽的同时形成，仅维持不到一个世代时此过程阶段在氮源耗尽的同时形成，仅维
50、持不到一个世代时间，此时，残留菌体和蛋白质的形成速率降为零，并且它们间，此时，残留菌体和蛋白质的形成速率降为零，并且它们的含量在随后的时间内保持恒定，的含量在随后的时间内保持恒定，而而PHBPHB的形成速率迅速达的形成速率迅速达到最大值，随后逐渐下降至最终为零。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的很明显，在以氮源为限制条件的PHBPHB形成过程中，限量形成过程中，限量添加氮源能促进添加氮源能促进PHBPHB的积累，的积累，这些结果与前面提到的用甲基营这些结果与前面提到的用甲基营养菌合成养菌合成PHBPHB的情况相一致，的情况相一致，在在PHBPHB形成阶段维持很低浓度