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第六章废物资源化生物技术6.1可降解塑料的生物合成6.2生产单细胞蛋白6.3生物农药6.4生物表面活性剂6.1可降解塑料的生物合成一、概述1、普通塑料塑料具有密度小、强度高、耐腐蚀、价格低廉等优良特性，然而，塑料垃圾在填埋、焚烧等处理过程中已暴露出种种弊端。2、可降解塑料可降解塑料主要包括光降解塑料、淀粉基生物可降解塑料、微生物发酵合成的生物降解塑料、天然高分子合成的生物降解塑料等。可降解塑料分类以聚－β－羟基烷酸（PHAs）为原料制造的新型塑料，可被多种微生物完全降解；1926年，法国的Lemoigne首次从巨大芽抱杆菌细胞中提取得到聚-β-羟基丁酸(PHB)。此后，在上百种细菌中发现PHAs，其中包括革兰氏阳性菌和阴性茵。这种高分子材料的合成，可有效缓解资源和环境危机，被许多国家列为重点投资项目。PHAs作为有光学活性的一种脂肪族聚酯，除具有高分子化合物的基本特性(如憎水性、气体阻隔性、压电性和非线性光学活性)外，还具有生物可降解性和生物可相容性等独特优点。因此，用PHAs制作各种容器、袋和薄膜等，可大大减少这些废弃物对环境的污染。此外，PHAs还可用作医药方面的骨骼替代品、骨板和长效药物的生物可降解载体等。PHAs的结构二、PHAs的生物合成1.合成PHAs的主要微生物•能产生PHAs的微生物分布极广，包括光能和化能自养及异养菌，计65个属中的近300中微生物。•积累有PHAs的微生物能很容易通过苏丹黑或尼罗兰染色来鉴别。•目前研究的较多用于合成PHAs的微生物有：产碱杆菌，甲基营养菌，固氮菌属和红螺菌属等选择工业生产PHAs的菌种可以考虑以下因素：细胞能利用廉价碳源的能力生长速率多聚物合成速率能在细胞内最大积累多聚物的程度ICI公司在比较固氮菌、甲基营养菌和真养产碱杆菌后，选择真养产碱杆菌作为PHAs的生产菌株；因为该菌生长快、易培养、胞内PHB含量高、聚合物的分子量大以及能利用各种较经济的碳源。随着对PHAs合成途径和分子遗传学研究的进展，采用带有A.eutrophusPHB合成基因的重组大肠杆菌（E.coli），成为又一选择。目前在PHB（V）聚合物的研究和生产中，大多数研究者采用A.eutrophus和重组E.coli生产PHB（V）的A.eutrophus和重组E.coli特点A.eutrophus重组E.coli1.生长快、容易培养1.发酵周期短2.胞内聚合物含量高2.胞内聚合物积累量大3.聚合物分子量大3.胞内无聚合物降解酶4.提取相对较困难4.易于提取，能利用多种碳源5.分子量分布控制较难5.胞内聚合物颗粒大、结晶度高6.生产共聚物较易和易调节共聚比6.在复杂培养基下，胞内聚合物才能高积累7.已有工业化产品7.有较成熟的高密度细胞培养技术6.1.2合成PHAs的主要基质1.糖质碳源可用来工业化生产PHAs的糖质碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等2.甲醇甲醇是最便宜的基质之一，但甲醇菌积累PHB含量不高，加大了PHB回收过程的成本，而且PHB的分子量较小然而廉价的甲醇仍然吸引人们寻求新的菌种和开发更有效的培养方法3.气体H2/CO2/O2真养产碱杆菌等一些爆鸣气细菌能利用H2/CO2/O2产生PHB，其中H2作为能源，CO2是碳源以H2作为基质，经济上可行，而且又是干净的可再生资源通过同化CO2生产生物降解塑料可以同时解决温室效应及废弃塑料对生态环境的危害这两个严重的环境污染问题4.烷烃及其衍生物假单胞菌能利用中等链长的烷烃及其衍生物醇、酸等产生中等链长羟基烷酸的共聚物（PHAMCL），共聚物等单体的组成与基质碳架的长度有关6.1.3PHAs的发酵生产阻碍PHAs实现大规模工业化生产的主要障碍就是生产成本问题降低PHAs的生产成本可从以下方面考虑：（1）利用廉价基质和提高产物产率，降低发酵原材料成本（2）提高生产强度，降低操作成本（3）改进提取、纯化技术，降低提取成本发酵过程（1）菌体细胞的形成阶段，此阶段微生物利用基质形成大量菌体，而多聚体PHAs的积累量很少；（2）多聚体形成阶段，当培养基中某种营养耗尽时，细胞进入PHAs形成阶段，此时PHAs大量形成，而菌体细胞基本不繁殖发酵方式分批发酵：不能获得很高的细胞干重以及高的产物浓度和生产强度流加发酵：连续，可获得较高菌体浓度、高的产物浓度和生产强度PHAs的提取技术有机溶剂法次氯酸钠法酶法表面活性剂／次氯酸钠法国内外对PHAs的研究主要集中在以下方面：微生物菌种的改良发酵生产技术研究新型反应器研制产品提取工艺开发6.2生产单细胞蛋白概述单细胞蛋白(SinglecellProtein，SCP)是通过培养单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物蛋白，可利用各种废物，如碳水化合物、碳氢化合物、石油加工副产品等，在适宜的培养条件下生产微生物蛋白。用于生产SCP的微生物包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等。以纯培养的微生物作为食物始于第一次世界大战期间，当时德国为了解决粮食问题，开展了利用小球藻、酵母作为粮食资源的研究。用木糖生产食用酵母，第一次工业化生产了SCP作为人们的食品。随后发展厂从造纸工、lk的亚硫酸盐废液制造饲料酵母。60年代，英国BP公司利用微生物脱去石油中的蜡，同时生产饲料酵母作为副产品，从此石油酵母问世。随后．发展到利用甲烷、甲醇、乙酯、乙酸等为原料生产SCP.以各类农业、林产或家畜工业的废弃物生产SCP的技术正在迅速兴起，其中以废糖蜜最为突出。甘蔗、甜菜糖厂的废糖蜜，造纸厂的亚硫酸盐废液、纤维素水解液，酒精废液、食品发酵废液等，均可用于生产SCP。生产SCP的微生物种类较多，根据原料不同，可以分为如下几类：(1)利用碳水化合物为原料发酵生产SCP，如酿酒酵母利用葡萄糖酵母以戊搪为碳源，木霉、青霉以纤维素为碳源；(2)利用碳氢化合物为原料生产SCP，以假丝酵母菌产率最高：(3)利用甲酸为原料生产SCP，以细菌为主．如小烷单胞菌、假单胞菌等；(4)利用乙醇为原料生产SCP，以酵母菌，如假丝酵母为主，其次是细菌和霉菌(5)利用甲烷为原料生产SCP，以细菌为主，如甲烷假单胞茵等；(6)利用二氧化碳为碳源、氢为能源生产SCP，如氢单胞菌；(7)利用光能生产SCP，如小球藻、螺旋藻及光合细菌等。作为SCP生产的共同性问题，应考虑下列几个方面：(1)生产所用菌种应增殖速度快，菌体收量大；(2)原料价值应便宜，能够大量供给，或直接利用工农业废料；(3)生产菌种对营养要求简单并广谱，(4)易于培养，可连续发酵；(5)分离回收容易；(6)不易污染杂菌；(7)生产过程废水少；(8)菌体蛋白质含量高，氨基酸组成好；(9)没有毒性、病原性及致癌物质：(10)SCP的适口性好；(11)储藏、包装容易。生产SCP的基质1．烃及其氧化衍生物这类碳源有石油烃、天然气及其氧化物，如合成法生产的甲醇、乙醇、醋酸等。正烷烃是由原油中提取，其纯度较高。缺点是短链烷烃的溶解度很低，长链烷烃则不溶解，因此发酵过程中需氧量高，且放出大量的热，造成能耗及冷却费用大。甲醇可由天然气、原油产生，其优点是成本低，容易得到，且纯度高，需氧量及放热量低。缺点是能利用甲醇的微生物种类有限，并且甲醇容易挥发、浓度较高时对微生物有毒性。2．农林牧产品加工工业的固体废料和废水如木材加工的木屑、刨花、锯末；造纸工业的亚硫酸盐纸浆废液、废纸；制糖工业的蔗渣、废糖米；乳品工业的乳清；食品工业的粉渣、粉浆；酿造工业的废水等。目前对于开发生产SCP的廉价原料已成为研究的热点。3．城市有机垃圾和农村农产废物如城市居民区有机垃圾；合成纤维工业中的环已烷氧副产物；农业上的秸秆壳秕；牧场的畜类垫草等。这一类数量很大，而且是可以循环再生的纤维资源。4工业废气火电厂、钢铁厂和发酵厂等排出的大量二氧化碳可用来进行微型藻类和氢极毛杆菌等的人工培养。石油企业以正构烷烃为主的炼油厂的废气用以生产石油二次产品，如合成酒精、甲醇、甲醛、酣酸等，再用以生产SCP。生产工艺1．藻类SCP的培养生产2细菌SCP和放线菌SCP的培养生产3．酵母SCP的培养生产4．霉菌SCP和高等真菌SCP的培养亚硫酸盐生产SCP工艺农业或林业废料生产SCP基本流程如下：其他工艺6.3生物表面活性剂6.3.1生物表面活性剂概述1.表面活性剂是由亲水基和疏水基两部分组成的物质，具有影响不相容界面的特性。2.生物表面活性剂许多生物分子具有两亲性，并能在界面优先分配所以生物表面活性剂物质的存在十分广泛一般把表现出特别高表面活性的生物分子称为生物表面活性剂可来源于微生物、植物以及动物生物表面活性剂的优势结构多样性生物可降解性对环境的温和性6.3.2生物表面活性剂的基本特性1.生物表面活性剂的特性和功能大多数生物表面活性剂明显的由亲水和疏水两部分组成，前者可以是离子型或非离子型，后者往往是饱和、不饱和或羟基取代的脂肪酸。生物表面活性剂可将发酵液表面张力降低到0.03N/m以下一些生物表面活性剂也表现出较好的热与化学稳定性2.生理学功能（1）可以增强非极性底物的乳化作用和溶解作用，从而促进微生物在非极性底物中的生长（2）生物表面活性剂具有杀虫活性6.3.3生物表面活性剂的类型微生物生产的表面活性剂的类型主要取决于所采用的微生物，从化学类型来分，主要有糖脂、肽、脂肪酸和磷脂1.糖脂和分枝菌酸酯糖脂的特点是由二糖脂化到被修饰的脂肪酸上构成的，常见的例子是鼠李糖、槐二糖等脂化到烃基化的脂肪酸上这类脂中最常分离到并被广泛研究的是索状因子脂；这些脂类含有一种海藻糖，称为分枝菌酸或霉菌酸2.肽和聚合物目前典型肽和聚合物类的生物表面活性剂主要是溢沐神（Emulsan）和莎梵婷（Surfactin）（1）溢沐神，乙酸钙不动杆菌可以产生的一种胞外生物乳化剂，是一种杂多糖（2）萨梵婷（Surfactin）据报道，由枯草芽孢杆菌生产的Surfactin脂肽是迄今已知最有效，但仍有争议的一种生物表面活性剂。最初，是由于它对生物系统有裂解作用而被发现的。3.脂肪酸从生长在正烷烃上的红平诺卡氏菌（Nocardiaerythopolis）发酵液中抽提出来中性脂戊烷抽提液，从中发现约90％为表面活性物质，其中含有一种单甘油酯、一种脂、一种脂肪醇和一些游离脂肪酸4.活性磷脂作为生物结构物质广泛分布在动物的脏器、神经、植物的种子和微生物中；特别是构成神经细胞或组织细胞的细胞膜的磷脂的生理活性，引起了普遍的重视。6.3.4生物表面活性剂的生产由于生物表面活性剂石油不同种类的微生物生产的不同种类的化合物，因而难以给出普遍的理想生产指导路线。生产生物表面活性剂的微生物可分为三类：完全以烷烃为碳源生产生物表面活性剂；仅以水溶性底物为碳源；以烷烃和水溶性底物为碳源1.培养基配制碳源是生物表面活性剂结构与产量的关键。根据生产菌种的生理学特点，加入烷烃对生物表面活性剂的生产既可能起到诱导作用，也可能起到阻碍作用。此外加入蔗糖等生物表面活性剂前体可以形成甘油酯亲水支链的组成部分。其他可能影响生物表面活性剂生产的营养成分包括氮源、磷源、金属离子和其他添加剂。需要根据菌种的种类进行选择。2.发酵发酵方法取决于微生物和合成产物的性质大多数生物表面活性剂在微生物生长稳定期和对数生长期都释放到培养基中，生物表面活性剂的生产可以在低稀释率下通过分批发酵或连续发酵。对于可以通过休止细胞生产的生物表面活性剂，可以通过固定化酶生产其他发酵方式6.3.5生物表面活性剂的应用1.增强油类提取石油工业，水流钻井以后用表面活性剂对油进行增流的应用有较长的时间，发现与传统的提取工艺相比，原位微生物增强油类提取具有较大优点。2.应用与环境领域不溶性污染物的分散与增溶是生物修复的重要步骤；从土壤去除有机化合物以及乳化剂促进微生物同化作用都需要用到表面活性剂其他有关环境领域的应用3.生物表面活性剂在医疗方面的应用如抗生活性刺激因子等6.4生物农药6.4.1概况由于受病虫害，