7生物可降解塑料的生产与应用

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