可降解塑料的生物合成

1、關(guān)于可降解塑料的生物合成現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁(yè)，共57頁(yè)第一節(jié)第一節(jié) 可降解塑料概述可降解塑料概述 石化工業(yè)的興起，使得石油化工合成塑料在人類(lèi)生石化工業(yè)的興起，使得石油化工合成塑料在人類(lèi)生活中扮演著重要的角色，活中扮演著重要的角色，7070年代以來(lái)，塑料工業(yè)得到迅年代以來(lái)，塑料工業(yè)得到迅猛的發(fā)展，無(wú)論工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、還是人們的日常猛的發(fā)展，無(wú)論工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、還是人們的日常生活，無(wú)不與塑料密切相關(guān)。生活，無(wú)不與塑料密切相關(guān)。 但目前所使用的化學(xué)合成塑料在自然環(huán)境中很難但目前所使用的化學(xué)合成塑料在自然環(huán)境中很難分解，也不會(huì)被腐蝕，燃燒處理又會(huì)產(chǎn)生有害氣體，分解，也不會(huì)被腐蝕，燃燒處理又會(huì)產(chǎn)生

2、有害氣體，越來(lái)越多的塑料垃圾卻對(duì)環(huán)境造成巨大的危害。越來(lái)越多的塑料垃圾卻對(duì)環(huán)境造成巨大的危害。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁(yè)，共57頁(yè) 普通塑料是以合成樹(shù)脂為主的化學(xué)合成材料。對(duì)環(huán)境污染具有普通塑料是以合成樹(shù)脂為主的化學(xué)合成材料。對(duì)環(huán)境污染具有以下特點(diǎn)：以下特點(diǎn)： 污染范圍廣，江河湖泊、田野山川無(wú)處不有。污染范圍廣，江河湖泊、田野山川無(wú)處不有。 污染物增長(zhǎng)量快。污染物增長(zhǎng)量快。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年對(duì)塑料的需求量為據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年對(duì)塑料的需求量為1 1億噸，傾入海洋的塑億噸，傾入海洋的塑料垃圾達(dá)數(shù)料垃圾達(dá)數(shù)1010萬(wàn)噸，陸上的更是難以計(jì)數(shù)。萬(wàn)噸，陸上的更是難以計(jì)數(shù)。 1985 1985年我國(guó)農(nóng)用薄膜為年

3、我國(guó)農(nóng)用薄膜為3030萬(wàn)噸，萬(wàn)噸，19901990年為年為5050萬(wàn)噸，萬(wàn)噸，20052005年，中國(guó)包裝用塑料需求量達(dá)到了年，中國(guó)包裝用塑料需求量達(dá)到了500500萬(wàn)噸，按萬(wàn)噸，按30%30%為難以為難以收集的一次性塑料包裝材料和制品計(jì)算，則廢棄物產(chǎn)生量達(dá)收集的一次性塑料包裝材料和制品計(jì)算，則廢棄物產(chǎn)生量達(dá)150150萬(wàn)噸。萬(wàn)噸。我國(guó)可覆蓋地膜的面積為我國(guó)可覆蓋地膜的面積為5 5億多畝，需求量已達(dá)到億多畝，需求量已達(dá)到100100萬(wàn)。萬(wàn)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁(yè)，共57頁(yè) 處理難。塑料具有耐酸堿、抗氧化、難腐蝕、難降處理難。塑料具有耐酸堿、抗氧化、難腐蝕、難降解的特性。埋地里處理百年不爛；燃燒時(shí)產(chǎn)

4、生大量有毒氣解的特性。埋地里處理百年不爛；燃燒時(shí)產(chǎn)生大量有毒氣體，如體，如HClHCl、SOxSOx、COCO等。等。 各種塑料及相近制品在環(huán)境中被預(yù)期降解的時(shí)間各種塑料及相近制品在環(huán)境中被預(yù)期降解的時(shí)間制制 品品 自動(dòng)售自動(dòng)售 鋁罐鋁罐 聚乙烯泡聚乙烯泡 可處置可處置 木制筷子木制筷子 塑料瓶塑料瓶 貨機(jī)杯貨機(jī)杯 沫杯沫杯/ /盤(pán)盤(pán) 尿布尿布 （PET）時(shí)間時(shí)間/ /a a 20 20 100 100 500 500 20 20 20 20 100100 回收利用難。塑料制品種類(lèi)多，填料、顏料多樣，難以分揀回收利用難。塑料制品種類(lèi)多，填料、顏料多樣，難以分揀回收再利用。回收再利用。 生態(tài)環(huán)境

5、危害大。地膜降低耕地質(zhì)量，農(nóng)作物植株矮小，生態(tài)環(huán)境危害大。地膜降低耕地質(zhì)量，農(nóng)作物植株矮小，抗病力差；殘膜隨風(fēng)飄動(dòng)，對(duì)周?chē)h(huán)境、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)都有很抗病力差；殘膜隨風(fēng)飄動(dòng)，對(duì)周?chē)h(huán)境、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)都有很大的影響大的影響現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁(yè)，共57頁(yè) 數(shù)量如此巨大的塑料垃圾對(duì)生態(tài)和環(huán)境產(chǎn)生數(shù)量如此巨大的塑料垃圾對(duì)生態(tài)和環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題將日益嚴(yán)重了嚴(yán)重的影響，由此引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題將日益嚴(yán)重。許多國(guó)家已開(kāi)始用生物可降解塑料代替部分石油化許多國(guó)家已開(kāi)始用生物可降解塑料代替部分石油化工合成塑料，并陸續(xù)頒布了一些法規(guī)，禁用某些塑料工合成塑料，并陸續(xù)頒布了一些法規(guī)，禁用某些塑料制品。制

6、品。 如意大利已立法規(guī)定自如意大利已立法規(guī)定自19911991年起所有包裝年起所有包裝用塑料都必須生物可降解，我國(guó)也開(kāi)始禁用塑用塑料都必須生物可降解，我國(guó)也開(kāi)始禁用塑料方便餐盒等不可降解的塑料制品。料方便餐盒等不可降解的塑料制品。 當(dāng)前，生產(chǎn)降解塑料的國(guó)家主要有美國(guó)、意大當(dāng)前，生產(chǎn)降解塑料的國(guó)家主要有美國(guó)、意大利、德國(guó)、加拿大、日本、中國(guó)等。利、德國(guó)、加拿大、日本、中國(guó)等。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁(yè)，共57頁(yè) 美國(guó)是開(kāi)發(fā)降解塑料的主要國(guó)家之一，主要有十幾美國(guó)是開(kāi)發(fā)降解塑料的主要國(guó)家之一，主要有十幾家單位，如塑料降解研究聯(lián)合體（家單位，如塑料降解研究聯(lián)合體（PDRCPDRC）、生物）、生物/ /環(huán)境環(huán)境

7、降解塑料研究會(huì)（降解塑料研究會(huì)（BEOPSBEOPS）等，）等，其宗旨在于進(jìn)行有關(guān)降解材其宗旨在于進(jìn)行有關(guān)降解材料合成、加工工藝、降解試驗(yàn)、測(cè)試技術(shù)和方法標(biāo)準(zhǔn)體系的建料合成、加工工藝、降解試驗(yàn)、測(cè)試技術(shù)和方法標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。立。 近年日本相繼成立了生物降解塑料研究會(huì)、生物降解近年日本相繼成立了生物降解塑料研究會(huì)、生物降解塑料實(shí)用化檢討委員會(huì)，塑料實(shí)用化檢討委員會(huì)，日本通產(chǎn)省已將生物降解塑料日本通產(chǎn)省已將生物降解塑料作為繼金屬材料、無(wú)機(jī)材料、高分子材料之后的作為繼金屬材料、無(wú)機(jī)材料、高分子材料之后的“第第四類(lèi)新材料四類(lèi)新材料”。 歐洲歐洲Bhre-EuraeBhre-Eurae更是對(duì)生物降解塑料

8、建立了完善的降更是對(duì)生物降解塑料建立了完善的降解評(píng)價(jià)體系。解評(píng)價(jià)體系?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁(yè)，共57頁(yè) 生物降解塑料是指在自然環(huán)境下通過(guò)微生物的生命活動(dòng)生物降解塑料是指在自然環(huán)境下通過(guò)微生物的生命活動(dòng)能很快降解的高分子材料。能很快降解的高分子材料。按其降解特性可分為完全生物降按其降解特性可分為完全生物降解塑料和生物破壞性塑料。解塑料和生物破壞性塑料。按其來(lái)源則可分為天然高分子材料、按其來(lái)源則可分為天然高分子材料、微生物合成材料、化學(xué)合成材料、摻混型材料等。微生物合成材料、化學(xué)合成材料、摻混型材料等。 天然高分子型是利用淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)、蛋白質(zhì)等天天然高分子型是利用淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)、蛋白質(zhì)等

9、天然高分子材料制備的生物降解材料。然高分子材料制備的生物降解材料。這類(lèi)物質(zhì)來(lái)源豐富，可完這類(lèi)物質(zhì)來(lái)源豐富，可完全生物降解，而且產(chǎn)物安全無(wú)毒性，日益受到重視。全生物降解，而且產(chǎn)物安全無(wú)毒性，日益受到重視。 美國(guó)美國(guó)Warner-LambertWarner-Lambert公司開(kāi)發(fā)了由公司開(kāi)發(fā)了由70%70%支鏈淀粉和支鏈淀粉和30%30%直直鏈淀粉制成的新型樹(shù)脂，鏈淀粉制成的新型樹(shù)脂，有良好的生物降解性，可替代農(nóng)有良好的生物降解性，可替代農(nóng)業(yè)上使用的各種生物降解材料。業(yè)上使用的各種生物降解材料。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁(yè)，共57頁(yè) 在眾多的生物可降解材料中，采用微生物發(fā)酵法在眾多的生物可降解材料中，采用微

10、生物發(fā)酵法生產(chǎn)的聚生產(chǎn)的聚-羥基烷酸（簡(jiǎn)稱(chēng)羥基烷酸（簡(jiǎn)稱(chēng)PHAsPHAs），），成為應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)成為應(yīng)用環(huán)境生物學(xué)方面的一個(gè)研究的熱點(diǎn)。方面的一個(gè)研究的熱點(diǎn)。其中，其中，-羥基丁酸（簡(jiǎn)稱(chēng)羥基丁酸（簡(jiǎn)稱(chēng)PHBPHB）及及3-3-羥基丁酸與羥基丁酸與3-3-羥基戊酸的共聚物羥基戊酸的共聚物 簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)P(3HB-co-3HV)P(3HB-co-3HV)或或PHBVPHBV是是PHAsPHAs族中研究和應(yīng)用最廣泛的兩種多聚體。族中研究和應(yīng)用最廣泛的兩種多聚體。 聚聚-羥基烷酸（羥基烷酸（PHAsPHAs）作為一種有光學(xué)活性的聚酯，作為一種有光學(xué)活性的聚酯，除具有高分子化合物的基本特性，如質(zhì)輕、彈性、

11、可塑性除具有高分子化合物的基本特性，如質(zhì)輕、彈性、可塑性、耐磨性、抗射性等外，、耐磨性、抗射性等外，更重要的是它還具有生物可降更重要的是它還具有生物可降解性和生物可相容性。解性和生物可相容性?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁(yè)，共57頁(yè) 已有研究表明，采用已有研究表明，采用PHAsPHAs制作的香波瓶，在自然環(huán)境中制作的香波瓶，在自然環(huán)境中9 9個(gè)月后，可基本上被完全降解，而同樣用合成塑料制作的物個(gè)月后，可基本上被完全降解，而同樣用合成塑料制作的物品，完全降解時(shí)間約需品，完全降解時(shí)間約需100100年。年。因此，研究和開(kāi)發(fā)聚因此，研究和開(kāi)發(fā)聚-羥基羥基烷酸（烷酸（PHAsPHAs），使之成為同類(lèi)用途的石化合成

12、塑料最有潛在的替，使之成為同類(lèi)用途的石化合成塑料最有潛在的替代品，可避免或減少塑料廢物對(duì)環(huán)境的污染，具有深遠(yuǎn)的環(huán)境意義。代品，可避免或減少塑料廢物對(duì)環(huán)境的污染，具有深遠(yuǎn)的環(huán)境意義。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁(yè)，共57頁(yè)第二節(jié)第二節(jié) PHAsPHAs的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用 O CH CH2 C nORR R為甲基時(shí)，單體為為甲基時(shí)，單體為-羥基丁（羥基?。℉BHB）；）；R R為乙基時(shí)，單體為為乙基時(shí)，單體為-羥基戊酸（羥基戊酸（HVHV）；）；R R為丙基時(shí)，單體為為丙基時(shí)，單體為-羥基己酸（羥基己酸（HCHC）；）；R R為丁基時(shí)，單體為為丁基時(shí)，單體為-羥基庚酸（羥基庚

13、酸（HHHH）；）； n n為單體的數(shù)目。為單體的數(shù)目。 R R為甲基時(shí)，其聚合物為為甲基時(shí)，其聚合物為-羥基丁酸（羥基丁酸（PHBPHB） ， R R為乙基時(shí)，為乙基時(shí)，其聚合物為其聚合物為-羥基戊酸（羥基戊酸（PHVPHV）；）；其他依次類(lèi)推。其他依次類(lèi)推。PHAs的通式可寫(xiě)成的通式可寫(xiě)成：現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁(yè)，共57頁(yè) 多種微生物在一定條件下能在細(xì)胞內(nèi)積累聚多種微生物在一定條件下能在細(xì)胞內(nèi)積累聚-羥基羥基烷酸（烷酸（PHAsPHAs）作為碳源和能源的貯存物。作為碳源和能源的貯存物。 我們采用溶劑法從不同細(xì)菌中可以提取這些多聚物，有些我們采用溶劑法從不同細(xì)菌中可以提取這些多聚物，有些多聚物的

14、相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)多聚物的相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)2 210106 6。 每個(gè)每個(gè)PHAPHA顆粒含有數(shù)千條多聚體鏈。這些多聚物的物理化顆粒含有數(shù)千條多聚體鏈。這些多聚物的物理化學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能如韌度、脆性、熔點(diǎn)、玻璃態(tài)溫度和抗溶學(xué)性質(zhì)和機(jī)械性能如韌度、脆性、熔點(diǎn)、玻璃態(tài)溫度和抗溶劑性等與單體的組成有極大的關(guān)系。劑性等與單體的組成有極大的關(guān)系。 例如例如3-3-羥基丁酸與羥基丁酸與3-3-羥基戊酸的（羥基戊酸的（PHBVPHBV）共聚物中）共聚物中-羥基戊酸組分的增加可使熔點(diǎn)從羥基戊酸組分的增加可使熔點(diǎn)從180180o oC C（PHBPHB）降至降至7575o oC C。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁(yè)，共5

15、7頁(yè) 多數(shù)有關(guān)細(xì)菌聚多數(shù)有關(guān)細(xì)菌聚-羥基烷酸（羥基烷酸（PHAsPHAs）的物理化學(xué)性質(zhì)的的物理化學(xué)性質(zhì)的研究是針對(duì)研究是針對(duì)-羥基丁酸（羥基丁酸（PHBPHB）及及3-3-羥基丁酸與羥基丁酸與3-3-羥基戊酸的羥基戊酸的共聚物（共聚物（PHBVPHBV）兩種聚合物進(jìn)行的。兩種聚合物進(jìn)行的。 PHBPHB是高度結(jié)晶的晶體，其物理性質(zhì)以及分子結(jié)構(gòu)上與聚丙是高度結(jié)晶的晶體，其物理性質(zhì)以及分子結(jié)構(gòu)上與聚丙烯（烯（PPPP）很相似，例如熔點(diǎn)、玻璃態(tài)溫度、結(jié)晶度、抗張強(qiáng)度很相似，例如熔點(diǎn)、玻璃態(tài)溫度、結(jié)晶度、抗張強(qiáng)度等，而等，而PHBPHB具有相對(duì)密度大、透氧率低和抗紫外線照射以及具具有相對(duì)密度大、透氧

16、率低和抗紫外線照射以及具有光學(xué)活性、阻濕性和壓電性等優(yōu)點(diǎn)。有光學(xué)活性、阻濕性和壓電性等優(yōu)點(diǎn)。 聚聚-羥基烷酸（羥基烷酸（PHAsPHAs）的生物降解性和生物相容性是許多的生物降解性和生物相容性是許多化學(xué)合成塑料所不具備的?；瘜W(xué)合成塑料所不具備的。PHAsPHAs這類(lèi)熱塑性聚酯能紡絲、壓膜這類(lèi)熱塑性聚酯能紡絲、壓膜或注塑，在工業(yè)上可用作各類(lèi)包裝材料等，在醫(yī)藥方面的應(yīng)或注塑，在工業(yè)上可用作各類(lèi)包裝材料等，在醫(yī)藥方面的應(yīng)用由于有生物相容性的特點(diǎn)，可作外科縫線、骨骼代用品或用由于有生物相容性的特點(diǎn)，可作外科縫線、骨骼代用品或骨板，手術(shù)后無(wú)需取出。骨板，手術(shù)后無(wú)需取出。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁(yè)，共57頁(yè)

17、研究還發(fā)現(xiàn)研究還發(fā)現(xiàn)PHBPHB的降解產(chǎn)物的降解產(chǎn)物D(-)-3-D(-)-3-羥基丁酸是所有高等動(dòng)物中的一種普遍羥基丁酸是所有高等動(dòng)物中的一種普遍存在的中間產(chǎn)物，存在的中間產(chǎn)物，在原核生物和真核生物中發(fā)現(xiàn)的含有在原核生物和真核生物中發(fā)現(xiàn)的含有100-200100-200個(gè)單體的小個(gè)單體的小分子量分子量PHBPHB，具有作為細(xì)胞膜離子通道組成的作用，并且在人體的血漿中也檢具有作為細(xì)胞膜離子通道組成的作用，并且在人體的血漿中也檢測(cè)到它的大量存在。測(cè)到它的大量存在。所以，植入哺乳動(dòng)物組織的所以，植入哺乳動(dòng)物組織的-羥基丁酸（羥基丁酸（PHBPHB）不會(huì)對(duì)機(jī)不會(huì)對(duì)機(jī)體產(chǎn)生毒性。體產(chǎn)生毒性。 表表8-

18、2-2 8-2-2 PHAsPHAs的應(yīng)用的應(yīng)用 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍 PHAsPHAs的應(yīng)用的應(yīng)用 外科縫線、肘釘、拭子等；傷口敷外科縫線、肘釘、拭子等；傷口敷 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 醫(yī)藥上醫(yī)藥上 板（由于壓電效應(yīng)能促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)）；板（由于壓電效應(yīng)能促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)）； 長(zhǎng)效藥物的生物降解載體長(zhǎng)效藥物的生物降解載體 長(zhǎng)效除莠劑、抗真菌劑、殺蟲(chóng)劑；長(zhǎng)效除莠劑、抗真菌劑、殺蟲(chóng)劑； 肥料等的生物降解載體；容器、瓶、肥料等的生物降解載體；容器、瓶、 工業(yè)上工業(yè)上 袋、薄膜等包裝材料；婦女衛(wèi)生用品、袋、薄膜等包裝材料；婦女衛(wèi)生用品、 尿布等；合成手性化合物的前體原料尿布

19、等；合成手性化合物的前體原料現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁(yè)，共57頁(yè)第三節(jié)第三節(jié) 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的主要基質(zhì)的主要基質(zhì)三、三、 PHAsPHAs的代謝途徑與調(diào)控的代謝途徑與調(diào)控現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁(yè)，共57頁(yè)一、合成一、合成PHAsPHAs的主要微生物的主要微生物 能產(chǎn)生聚能產(chǎn)生聚-羥基烷酸（羥基烷酸（PHAsPHAs）微生物分布極廣，包括光能微生物分布極廣，包括光能和化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌，計(jì)和化能自養(yǎng)及異養(yǎng)菌，計(jì)6565個(gè)屬中的近個(gè)屬中的近300300種微生物。種微生物。 目前研究較多的用于合成目前研

20、究較多的用于合成PHAsPHAs的微生物有：產(chǎn)堿桿菌屬的微生物有：產(chǎn)堿桿菌屬，假單胞菌屬，甲基營(yíng)養(yǎng)菌，固氮菌屬和紅螺菌屬等。它們，假單胞菌屬，甲基營(yíng)養(yǎng)菌，固氮菌屬和紅螺菌屬等。它們能分別利用不同的碳源產(chǎn)生不同的能分別利用不同的碳源產(chǎn)生不同的PHAsPHAs。 在多數(shù)情況下微生物能利用糖加丙酸或戊酸產(chǎn)生在多數(shù)情況下微生物能利用糖加丙酸或戊酸產(chǎn)生PHBVPHBV的，并的，并可通過(guò)改變兩者的配比控制共聚物中可通過(guò)改變兩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價(jià)格高，且對(duì)細(xì)菌有毒，因而在培養(yǎng)液中的濃度必須控制很低戊酸價(jià)格高，且對(duì)細(xì)菌有毒，因而在培養(yǎng)液中的濃度必須控制

21、很低，產(chǎn)率及轉(zhuǎn)化率都不高，這些也是生產(chǎn)上的不利因素。，產(chǎn)率及轉(zhuǎn)化率都不高，這些也是生產(chǎn)上的不利因素?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁(yè)，共57頁(yè) 上個(gè)世紀(jì)上個(gè)世紀(jì)9090年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)，在分類(lèi)上屬于紅球菌屬、諾年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)，在分類(lèi)上屬于紅球菌屬、諾卡氏菌屬和棒桿菌屬中的一些菌能利用葡萄糖或其他單一碳卡氏菌屬和棒桿菌屬中的一些菌能利用葡萄糖或其他單一碳源產(chǎn)生含源產(chǎn)生含HBHB和和HVHV的的PHAPHA。 上個(gè)世紀(jì)末，有人觀察到真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌上個(gè)世紀(jì)末，有人觀察到真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌H H1616的異亮氨酸的異亮氨酸缺陷型突變株缺陷型突變株R R8 8能從單一的無(wú)關(guān)連碳源例如果糖或葡萄糖酸能從單一的無(wú)關(guān)連碳源例如果糖或葡

22、萄糖酸等產(chǎn)生等產(chǎn)生PHBVPHBV。以果糖為碳源時(shí)，共聚物占細(xì)胞干重的以果糖為碳源時(shí)，共聚物占細(xì)胞干重的47%47%。 這些發(fā)現(xiàn)不僅給這些發(fā)現(xiàn)不僅給PHAPHA生物合成和調(diào)節(jié)機(jī)制的研究增加了生物合成和調(diào)節(jié)機(jī)制的研究增加了新的內(nèi)容，而且對(duì)探索從廉價(jià)的單一碳源生產(chǎn)新的內(nèi)容，而且對(duì)探索從廉價(jià)的單一碳源生產(chǎn)PHBVPHBV方面開(kāi)辟方面開(kāi)辟了一條新的途徑。了一條新的途徑。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁(yè)，共57頁(yè) 選擇工業(yè)生產(chǎn)選擇工業(yè)生產(chǎn)PHAsPHAs的菌種可以考慮以下幾個(gè)因素，主要包括細(xì)菌能的菌種可以考慮以下幾個(gè)因素，主要包括細(xì)菌能利用廉價(jià)碳源的能力、生長(zhǎng)速率、多聚物合成速率和能在細(xì)胞內(nèi)最大積累利用廉價(jià)碳源的

23、能力、生長(zhǎng)速率、多聚物合成速率和能在細(xì)胞內(nèi)最大積累多聚物的程度。多聚物的程度。 如英國(guó)如英國(guó)ICIICI公司分別對(duì)固氮菌、甲基營(yíng)養(yǎng)菌和真氧產(chǎn)堿桿菌進(jìn)行公司分別對(duì)固氮菌、甲基營(yíng)養(yǎng)菌和真氧產(chǎn)堿桿菌進(jìn)行了考察：了考察： 首先，放棄了固氮菌、首先，放棄了固氮菌、因?yàn)檫@類(lèi)菌還會(huì)產(chǎn)生多糖，從而降低了因?yàn)檫@類(lèi)菌還會(huì)產(chǎn)生多糖，從而降低了-羥基丁羥基丁酸（酸（PHBPHB）的產(chǎn)率。的產(chǎn)率。 其次，否定了甲基營(yíng)養(yǎng)菌，其次，否定了甲基營(yíng)養(yǎng)菌，這類(lèi)菌的這類(lèi)菌的PHBPHB產(chǎn)率不高，胞內(nèi)產(chǎn)率不高，胞內(nèi)PHBPHB含量?jī)H含量?jī)H為為65%65%左右。左右。 第三，舍去了甲醇，第三，舍去了甲醇，雖然甲醇的價(jià)格低，但轉(zhuǎn)化系數(shù)也

24、低，雖然甲醇的價(jià)格低，但轉(zhuǎn)化系數(shù)也低， 經(jīng)考察，最終選擇了真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌作為經(jīng)考察，最終選擇了真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌作為PHAsPHAs的生產(chǎn)菌株，因?yàn)樵摰纳a(chǎn)菌株，因?yàn)樵摼晟L(zhǎng)快、易培養(yǎng)、胞內(nèi)菌株生長(zhǎng)快、易培養(yǎng)、胞內(nèi)PHBPHB含量高、聚合物的分子量大以及能利用各種含量高、聚合物的分子量大以及能利用各種較經(jīng)濟(jì)的碳源。較經(jīng)濟(jì)的碳源?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁(yè)，共57頁(yè)二、合成二、合成PHAsPHAs的主要基質(zhì)的主要基質(zhì) 1.1.糖質(zhì)碳源糖質(zhì)碳源 可用來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)可用來(lái)工業(yè)化生產(chǎn)PHAPHA的糖質(zhì)碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、的糖質(zhì)碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。淀粉等。 （1 1）葡萄糖）葡萄糖 真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌野

25、生株真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌野生株H H1616利用果糖積累利用果糖積累PHBPHB，其利用葡萄糖的變異株已用于工業(yè)生產(chǎn)其利用葡萄糖的變異株已用于工業(yè)生產(chǎn)PHBPHB。 如凱姆等人采用細(xì)胞密度培養(yǎng)的方法，通過(guò)在線葡萄糖濃度如凱姆等人采用細(xì)胞密度培養(yǎng)的方法，通過(guò)在線葡萄糖濃度的控制，首先使菌體平衡生長(zhǎng)至的控制，首先使菌體平衡生長(zhǎng)至7070g/Lg/L，再讓其積累再讓其積累PHBPHB，50h50h細(xì)細(xì)胞濃度達(dá)胞濃度達(dá)164164g/Lg/L，干細(xì)胞中干細(xì)胞中PHBPHB含含76%76%，發(fā)酵液中含量為，發(fā)酵液中含量為121121g/Lg/L，PHBPHB的生產(chǎn)強(qiáng)度為的生產(chǎn)強(qiáng)度為2.422.42g/g/（ L

26、h Lh ），），是目前世界上已報(bào)道的最是目前世界上已報(bào)道的最高記錄。高記錄。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁(yè)，共57頁(yè)（2 2）蔗糖及糖蜜）蔗糖及糖蜜 肥大產(chǎn)堿桿菌能利用蔗糖積累肥大產(chǎn)堿桿菌能利用蔗糖積累-羥基丁酸（羥基丁酸（PHBPHB），），采用分批補(bǔ)料采用分批補(bǔ)料培養(yǎng)的方法積累的培養(yǎng)的方法積累的PHBPHB量達(dá)量達(dá)60 60 g/Lg/L以上，目前已中試生產(chǎn)的水平為以上，目前已中試生產(chǎn)的水平為1515m m3 3反應(yīng)器每周生產(chǎn)反應(yīng)器每周生產(chǎn)1 1tPHBtPHB。該菌的特點(diǎn)是生長(zhǎng)較快，能利用廉價(jià)的甜菜或該菌的特點(diǎn)是生長(zhǎng)較快，能利用廉價(jià)的甜菜或甘蔗糖蜜，并且細(xì)胞生長(zhǎng)與甘蔗糖蜜，并且細(xì)胞生長(zhǎng)與PHB

27、PHB的積累同步。的積累同步。 但是，使用糖蜜作基質(zhì)還很有爭(zhēng)議。但是，使用糖蜜作基質(zhì)還很有爭(zhēng)議。培格認(rèn)為，用甜菜糖蜜作基質(zhì)其價(jià)格培格認(rèn)為，用甜菜糖蜜作基質(zhì)其價(jià)格是葡萄糖的是葡萄糖的1/21/2，而而ICIICI公司認(rèn)為糖本身雖然價(jià)格較低，但雜質(zhì)多，增加公司認(rèn)為糖本身雖然價(jià)格較低，但雜質(zhì)多，增加了了PHBPHB積累的難度，為了提高積累的難度，為了提高PHBPHB含量，糖蜜原料需精制，這就增加了成本。含量，糖蜜原料需精制，這就增加了成本。另外，使用糖蜜還會(huì)給后提取增加困難（如粘度大，需脫色等），糖蜜另外，使用糖蜜還會(huì)給后提取增加困難（如粘度大，需脫色等），糖蜜系季節(jié)性產(chǎn)品，儲(chǔ)運(yùn)不易，再有糖蜜含糖量

28、較低（通常含糖系季節(jié)性產(chǎn)品，儲(chǔ)運(yùn)不易，再有糖蜜含糖量較低（通常含糖50%50%以下）以下），如用來(lái)作細(xì)胞的高密度培養(yǎng)還需補(bǔ)加純糖，這也會(huì)影響成本，如用來(lái)作細(xì)胞的高密度培養(yǎng)還需補(bǔ)加純糖，這也會(huì)影響成本，所以從所以從使用糖蜜的總效益綜合考慮，盡管糖蜜本身廉價(jià)，用于實(shí)際生產(chǎn)上仍有許多困使用糖蜜的總效益綜合考慮，盡管糖蜜本身廉價(jià)，用于實(shí)際生產(chǎn)上仍有許多困難需要克服。難需要克服。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁(yè)，共57頁(yè) 2 2. .甲醇甲醇 甲醇是最便宜的基質(zhì)之一，但由于甲醇菌積累甲醇是最便宜的基質(zhì)之一，但由于甲醇菌積累PHBPHB含量含量不高，加大了不高，加大了PHBPHB回收過(guò)程的成本，而且回收過(guò)程的成本，而

29、且PHBPHB的分子量較小，的分子量較小，故故ICIICI公司放棄了這條路線。公司放棄了這條路線。 但由于甲醇價(jià)格低，仍然吸引人們尋求新的菌種和開(kāi)發(fā)但由于甲醇價(jià)格低，仍然吸引人們尋求新的菌種和開(kāi)發(fā)更有效的培養(yǎng)方法。更有效的培養(yǎng)方法。 凱姆等使用嗜有機(jī)甲基桿菌，在微機(jī)輔助的自動(dòng)補(bǔ)料分批凱姆等使用嗜有機(jī)甲基桿菌，在微機(jī)輔助的自動(dòng)補(bǔ)料分批培養(yǎng)系統(tǒng)中，在限鉀的條件下（培養(yǎng)系統(tǒng)中，在限鉀的條件下（2525mg/Lmg/L）大量生產(chǎn)大量生產(chǎn)PHBPHB，甲醇濃度維持在甲醇濃度維持在2-32-3g/Lg/L時(shí)不抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，培養(yǎng)時(shí)不抑制細(xì)胞的生長(zhǎng)，培養(yǎng)7070h h細(xì)胞細(xì)胞濃度高達(dá)濃度高達(dá)250250g/

30、Lg/L，是當(dāng)今高密度培養(yǎng)產(chǎn)是當(dāng)今高密度培養(yǎng)產(chǎn)PHBPHB細(xì)胞濃度的最高細(xì)胞濃度的最高記錄。記錄。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁(yè)，共57頁(yè) 3 3氣體氣體H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2 真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等一些爆鳴氣細(xì)菌能利用真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等一些爆鳴氣細(xì)菌能利用H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2產(chǎn)生產(chǎn)生-羥基丁酸（羥基丁酸（PHBPHB），），其中其中H H2 2作為能源，作為能源，COCO2 2是碳源。是碳源。 H H2 2是一種干凈的可再生資源。通過(guò)同化是一種干凈的可再生資源。通過(guò)同化COCO2 2生產(chǎn)生物降解塑料，生產(chǎn)生物降解塑料，可以同時(shí)解決溫室效應(yīng)及廢棄的非降解塑料的危害等兩

31、個(gè)嚴(yán)重可以同時(shí)解決溫室效應(yīng)及廢棄的非降解塑料的危害等兩個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。的環(huán)境污染問(wèn)題。但在技術(shù)上要解決混合氣體爆鳴的安全問(wèn)題和但在技術(shù)上要解決混合氣體爆鳴的安全問(wèn)題和氣體的循環(huán)利用問(wèn)題。氣體的循環(huán)利用問(wèn)題。 控制基質(zhì)氣相中氧的濃度低于氣體爆炸的下限（控制基質(zhì)氣相中氧的濃度低于氣體爆炸的下限（6.9%6.9%）是）是安全的，而循環(huán)氣體的閉路培養(yǎng)體系能有效地利用氣體。安全的，而循環(huán)氣體的閉路培養(yǎng)體系能有效地利用氣體。 田中等人研究了真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌利用田中等人研究了真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌利用H H2 2/CO/CO2 2/O/O2 2 的高密度培養(yǎng)產(chǎn)的高密度培養(yǎng)產(chǎn)PHBPHB的最新結(jié)果是，在限氧條件下培養(yǎng)

32、的最新結(jié)果是，在限氧條件下培養(yǎng)4040h h，細(xì)胞濃度和細(xì)胞濃度和PHBPHB濃度分濃度分別達(dá)到別達(dá)到91.391.3g/Lg/L和和61.961.9g/Lg/L。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁(yè)，共57頁(yè) 4 4烷烴及其衍生物烷烴及其衍生物 假單胞菌能利用中等鏈長(zhǎng)的烷烴或其衍生物醇、酸等產(chǎn)生假單胞菌能利用中等鏈長(zhǎng)的烷烴或其衍生物醇、酸等產(chǎn)生中等鏈長(zhǎng)羥基烷酸的共聚物（中等鏈長(zhǎng)羥基烷酸的共聚物（PHAPHAMCLMCL），），而共聚物中單體的而共聚物中單體的組成與基質(zhì)碳架的長(zhǎng)度有關(guān)。組成與基質(zhì)碳架的長(zhǎng)度有關(guān)。 以辛烷作基質(zhì)連續(xù)培養(yǎng)食油假單胞菌，通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)以辛烷作基質(zhì)連續(xù)培養(yǎng)食油假單胞菌，通過(guò)優(yōu)化培養(yǎng)基和

33、增加氧的轉(zhuǎn)移率，穩(wěn)定態(tài)細(xì)胞濃度增至基和增加氧的轉(zhuǎn)移率，穩(wěn)定態(tài)細(xì)胞濃度增至11.611.6g/Lg/L，用用傳氧很有效的反應(yīng)器作分批補(bǔ)料培養(yǎng)，傳氧很有效的反應(yīng)器作分批補(bǔ)料培養(yǎng)，3838h h細(xì)胞濃度為細(xì)胞濃度為37.1 37.1 g/Lg/L， PHA PHA占細(xì)胞干重的占細(xì)胞干重的33%33%。 如通純氧以適應(yīng)細(xì)胞對(duì)氧的需要、用辛酸分批補(bǔ)料培如通純氧以適應(yīng)細(xì)胞對(duì)氧的需要、用辛酸分批補(bǔ)料培養(yǎng)養(yǎng)4545h h，細(xì)胞濃度為細(xì)胞濃度為41.8 41.8 g/Lg/L， PHA PHA占細(xì)胞干重的占細(xì)胞干重的37.1%37.1%。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁(yè)，共57頁(yè)三、三、PHAsPHAs 的代謝途徑與調(diào)控

34、的代謝途徑與調(diào)控 研究表明，許多微生物在碳源過(guò)量而其他某種營(yíng)養(yǎng)成分，如氮、磷、鎂研究表明，許多微生物在碳源過(guò)量而其他某種營(yíng)養(yǎng)成分，如氮、磷、鎂或氧不足時(shí)，能在細(xì)胞內(nèi)大量積累聚或氧不足時(shí)，能在細(xì)胞內(nèi)大量積累聚-羥基烷酸羥基烷酸，以作為碳源和能源的貯以作為碳源和能源的貯存物。存物。 當(dāng)限制性營(yíng)養(yǎng)物再次被提供時(shí)，當(dāng)限制性營(yíng)養(yǎng)物再次被提供時(shí)，PHAsPHAs 能被細(xì)胞內(nèi)酶降解后作為碳能被細(xì)胞內(nèi)酶降解后作為碳源和能源利用。源和能源利用。 細(xì)胞中積累的細(xì)胞中積累的PHAsPHAs以單個(gè)粒子的形態(tài)存在，不同微生物細(xì)胞含有以單個(gè)粒子的形態(tài)存在，不同微生物細(xì)胞含有的顆粒數(shù)量及顆粒大小不同。的顆粒數(shù)量及顆粒大小不

35、同。 在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌中，每個(gè)細(xì)胞含有在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌中，每個(gè)細(xì)胞含有8 8 1010個(gè)顆粒，每個(gè)顆粒直徑大小個(gè)顆粒，每個(gè)顆粒直徑大小為為0.20.2 0.50.5m m。 在電子顯微鏡中觀察到這些內(nèi)含物具有高度的折光性，顆粒外在電子顯微鏡中觀察到這些內(nèi)含物具有高度的折光性，顆粒外面包裹著一層膜，該膜沒(méi)有生物膜那樣的典型雙層結(jié)構(gòu)，膜中含有面包裹著一層膜，該膜沒(méi)有生物膜那樣的典型雙層結(jié)構(gòu)，膜中含有PHAsPHAs合成酶的降解酶系統(tǒng)。合成酶的降解酶系統(tǒng)。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁(yè)，共57頁(yè) PHAPHAs s除在微生物饑餓條件下作為碳源和能源外，還為除在微生物饑餓條件下作為碳源和能源外，還為微生物在其他

36、環(huán)境壓力條件下（如滲透壓、脫水或紫外微生物在其他環(huán)境壓力條件下（如滲透壓、脫水或紫外線照射）的生存起著重要的作用。線照射）的生存起著重要的作用。 一般說(shuō)來(lái)，在惡劣環(huán)境下含有一般說(shuō)來(lái)，在惡劣環(huán)境下含有PHAPHAs s的細(xì)胞微生物比不的細(xì)胞微生物比不含含PHAPHAs s的細(xì)胞具有更高的存活率。的細(xì)胞具有更高的存活率。 最近研究發(fā)現(xiàn)，最近研究發(fā)現(xiàn)，PHAPHAs s除了作為細(xì)胞內(nèi)貯物的生理作用除了作為細(xì)胞內(nèi)貯物的生理作用外，還是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)化合物。外，還是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)化合物。 不同微生物合成不同微生物合成PHAPHAs s的途徑不同，基質(zhì)不同，其合成途的途徑不同，基質(zhì)不同，其合成途徑也有差異，這

37、是微生物代謝多樣性的一種表現(xiàn)。徑也有差異，這是微生物代謝多樣性的一種表現(xiàn)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁(yè)，共57頁(yè) 在不同微生物中，利用不同基質(zhì)合成在不同微生物中，利用不同基質(zhì)合成PHAPHA的主要途徑包括：的主要途徑包括： （1 1）真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌及多數(shù)細(xì)菌利用糖作為基質(zhì)合成）真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌及多數(shù)細(xì)菌利用糖作為基質(zhì)合成PHB;PHB; （2 2）深紅紅螺菌利用糖作為基質(zhì)合成深紅紅螺菌利用糖作為基質(zhì)合成PHB;PHB; （3 3）食油假單胞菌等利用中鏈烴、醇及酸合成具有與基質(zhì)鏈）食油假單胞菌等利用中鏈烴、醇及酸合成具有與基質(zhì)鏈長(zhǎng)有關(guān)的長(zhǎng)有關(guān)的HAHA單位的單位的PHAPHA； （4 4）一株產(chǎn)堿桿菌利用長(zhǎng)

38、鏈偶碳數(shù)脂肪酸合成一株產(chǎn)堿桿菌利用長(zhǎng)鏈偶碳數(shù)脂肪酸合成PHB;PHB; （5 5）銅綠假單胞菌等利用糖質(zhì)碳源合成具有中鏈）銅綠假單胞菌等利用糖質(zhì)碳源合成具有中鏈HAHA單位的單位的PHA;PHA; （6 6）真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等利用糖加丙酸合成真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌等利用糖加丙酸合成PHBVPHBV。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁(yè)，共57頁(yè)在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌以及許多微生物中，在真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌以及許多微生物中，PHB PHB 是從已酰是從已酰CoACoA通過(guò)三步反應(yīng)合成。通過(guò)三步反應(yīng)合成。 一是由生物合成的一是由生物合成的-酮基硫酯酶催化兩個(gè)已酰酮基硫酯酶催化兩個(gè)已酰CoACoA的的cccc結(jié)合；結(jié)合； 二是由依賴(lài)二是由依

39、賴(lài)NADPHNADPH的已酰已酰的已酰已酰CoACoA還原酶催化產(chǎn)生還原酶催化產(chǎn)生D(-)3-D(-)3-羥基丁酰羥基丁酰CoACoA ； 三是由三是由PHBPHB聚合酶將聚合酶將D(-)3-D(-)3-羥基丁酰羥基丁酰CoACoA連接到連接到PHBPHB 正在增長(zhǎng)的鏈上。正在增長(zhǎng)的鏈上?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁(yè)，共57頁(yè)第四節(jié)第四節(jié) PHAsPHAs的發(fā)酵生產(chǎn)的發(fā)酵生產(chǎn)一、一、 PHAsPHAs的流加發(fā)酵的流加發(fā)酵二、二、 PHBPHB發(fā)酵過(guò)程中理論產(chǎn)率的計(jì)算發(fā)酵過(guò)程中理論產(chǎn)率的計(jì)算現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁(yè)，共57頁(yè)一、一、 PHAsPHAs的流加發(fā)酵的流加發(fā)酵 阻礙聚阻礙聚-羥基烷酸（羥基烷酸

40、（PHAsPHAs）實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的主要障礙是生產(chǎn)成本問(wèn)題。影響要障礙是生產(chǎn)成本問(wèn)題。影響PHAsPHAs生產(chǎn)成本的主要因素有菌種、生產(chǎn)成本的主要因素有菌種、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的生產(chǎn)成本主要考慮以下幾點(diǎn)：的生產(chǎn)成本主要考慮以下幾點(diǎn)： 其一，采用廉價(jià)基質(zhì)（如其一，采用廉價(jià)基質(zhì)（如COCO2 2、H H2 2和和O O2 2或甲醇、乙醇、葡萄或甲醇、乙醇、葡萄糖及來(lái)自農(nóng)業(yè)廢物的有機(jī)酸等）和提高最終產(chǎn)物對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)率系數(shù)，糖及來(lái)自農(nóng)業(yè)廢物的有機(jī)酸等）和提高最終產(chǎn)物對(duì)基質(zhì)的產(chǎn)率系數(shù)，以降低發(fā)酵原

41、材料的成本。以降低發(fā)酵原材料的成本。 其二，提高生產(chǎn)強(qiáng)度（如選育高產(chǎn)菌株，采用合適的發(fā)酵生其二，提高生產(chǎn)強(qiáng)度（如選育高產(chǎn)菌株，采用合適的發(fā)酵生產(chǎn)方式等），以降低操作成本。產(chǎn)方式等），以降低操作成本。 其三，改進(jìn)提取、純化技術(shù)（如不采用價(jià)格昂貴的有機(jī)其三，改進(jìn)提取、純化技術(shù)（如不采用價(jià)格昂貴的有機(jī)溶劑、簡(jiǎn)化操作等），以降低提取成本。溶劑、簡(jiǎn)化操作等），以降低提取成本?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁(yè)，共57頁(yè) 除上述除上述3 3點(diǎn)外，還應(yīng)采用適宜的發(fā)酵生產(chǎn)方式，這是提高聚點(diǎn)外，還應(yīng)采用適宜的發(fā)酵生產(chǎn)方式，這是提高聚合物的生產(chǎn)率和改進(jìn)其質(zhì)量的關(guān)鍵。合物的生產(chǎn)率和改進(jìn)其質(zhì)量的關(guān)鍵。 現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)的

42、培養(yǎng)均采用純種液體培養(yǎng)方現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中，絕大多數(shù)的培養(yǎng)均采用純種液體培養(yǎng)方法，液體培養(yǎng)的操作方法主要有間歇（分批）培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)法，液體培養(yǎng)的操作方法主要有間歇（分批）培養(yǎng)、連續(xù)培養(yǎng)和流加培養(yǎng)和流加培養(yǎng)3 3種。種。 細(xì)胞的分批培養(yǎng)是一種間歇培養(yǎng)方式。在培養(yǎng)時(shí)，培細(xì)胞的分批培養(yǎng)是一種間歇培養(yǎng)方式。在培養(yǎng)時(shí)，培養(yǎng)系統(tǒng)除了需不斷進(jìn)行通氣和加入酸堿溶液以及排出廢氣養(yǎng)系統(tǒng)除了需不斷進(jìn)行通氣和加入酸堿溶液以及排出廢氣外，與外界沒(méi)有其他的物料交換。在分批培養(yǎng)中，細(xì)胞濃外，與外界沒(méi)有其他的物料交換。在分批培養(yǎng)中，細(xì)胞濃度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不斷發(fā)生變化。度、基質(zhì)濃度和產(chǎn)物濃度均不斷發(fā)生變化?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第

43、二十九頁(yè)，共57頁(yè) 連續(xù)培養(yǎng)的方法是將新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地加入有均勻連續(xù)培養(yǎng)的方法是將新鮮的培養(yǎng)基連續(xù)地加入有均勻培養(yǎng)液的反應(yīng)器中，同時(shí)排出發(fā)酵液，使培養(yǎng)環(huán)境如底物濃培養(yǎng)液的反應(yīng)器中，同時(shí)排出發(fā)酵液，使培養(yǎng)環(huán)境如底物濃度、產(chǎn)物濃度、細(xì)胞濃度、比生長(zhǎng)速率等可不隨時(shí)間變化而度、產(chǎn)物濃度、細(xì)胞濃度、比生長(zhǎng)速率等可不隨時(shí)間變化而變化，保持培養(yǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。變化，保持培養(yǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。在連續(xù)培養(yǎng)中，任何一種營(yíng)養(yǎng)在連續(xù)培養(yǎng)中，任何一種營(yíng)養(yǎng)成分都可以用作限制性底物。成分都可以用作限制性底物。 所謂流加培養(yǎng)，又稱(chēng)半連續(xù)發(fā)酵，是指在培養(yǎng)過(guò)程中不所謂流加培養(yǎng)，又稱(chēng)半連續(xù)發(fā)酵，是指在培養(yǎng)過(guò)程中不斷向反應(yīng)器內(nèi)加入培養(yǎng)基，但

44、不同時(shí)取出培養(yǎng)液的培養(yǎng)方法。斷向反應(yīng)器內(nèi)加入培養(yǎng)基，但不同時(shí)取出培養(yǎng)液的培養(yǎng)方法。它是一種介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的培養(yǎng)方法。兼有兩者它是一種介于分批培養(yǎng)和連續(xù)培養(yǎng)之間的培養(yǎng)方法。兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)，而又克服了兩者的缺點(diǎn)。的優(yōu)點(diǎn)，而又克服了兩者的缺點(diǎn)。和傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)相比，和傳統(tǒng)的分批培養(yǎng)相比，流加培養(yǎng)可以解除底物抑制、葡萄糖效應(yīng)、代謝阻遏等；流加培養(yǎng)可以解除底物抑制、葡萄糖效應(yīng)、代謝阻遏等；與連續(xù)培養(yǎng)相比，流加培養(yǎng)的染菌可能性小，也不易產(chǎn)生與連續(xù)培養(yǎng)相比，流加培養(yǎng)的染菌可能性小，也不易產(chǎn)生菌種老化變異等。菌種老化變異等?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁(yè)，共57頁(yè) 所謂限制性底物，是指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

45、中，對(duì)微生所謂限制性底物，是指在培養(yǎng)微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)中，對(duì)微生物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。物的生長(zhǎng)起到限制作用的營(yíng)養(yǎng)物。 由于許多微生物只有在氮、磷或氧等缺乏而碳源過(guò)量的不由于許多微生物只有在氮、磷或氧等缺乏而碳源過(guò)量的不平衡生長(zhǎng)條件下才能大量積累平衡生長(zhǎng)條件下才能大量積累PHAsPHAs，所以在所以在PHAsPHAs的發(fā)酵生產(chǎn)的發(fā)酵生產(chǎn)中，一般可將發(fā)酵過(guò)程分成兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行控制：中，一般可將發(fā)酵過(guò)程分成兩個(gè)階段來(lái)進(jìn)行控制： 第一階段為菌體細(xì)胞的形成階段，在此階段微生物利用基質(zhì)第一階段為菌體細(xì)胞的形成階段，在此階段微生物利用基質(zhì)形成大量菌體，而多聚體形成大量菌體，而多聚體PHAsPHAs的積

46、累量很少；的積累量很少； 第二階段為多聚體形成階段，在此階段第二階段為多聚體形成階段，在此階段PHAsPHAs大量形成而大量形成而菌體細(xì)胞基本上不繁殖。菌體細(xì)胞基本上不繁殖?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁(yè)，共57頁(yè) 在簡(jiǎn)單分批培養(yǎng)過(guò)程中，當(dāng)菌體生長(zhǎng)進(jìn)行到一定濃度在簡(jiǎn)單分批培養(yǎng)過(guò)程中，當(dāng)菌體生長(zhǎng)進(jìn)行到一定濃度時(shí)，培養(yǎng)基中一種或幾種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度可能成為菌體細(xì)時(shí)，培養(yǎng)基中一種或幾種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度可能成為菌體細(xì)胞進(jìn)一步繁殖的限制因素，胞進(jìn)一步繁殖的限制因素，而簡(jiǎn)單地增加該種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的初而簡(jiǎn)單地增加該種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的初始濃度不可能導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)量的相應(yīng)增加，相反某些成分在較始濃度不可能導(dǎo)致菌體生長(zhǎng)量的相應(yīng)增加，相反

47、某些成分在較高濃度時(shí)對(duì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生毒害作用，高濃度時(shí)對(duì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生毒害作用，另一些還可能形成沉淀，因另一些還可能形成沉淀，因而采用分批發(fā)酵法不能獲得很高的細(xì)胞干重以及高的產(chǎn)物濃度而采用分批發(fā)酵法不能獲得很高的細(xì)胞干重以及高的產(chǎn)物濃度和生產(chǎn)強(qiáng)度。和生產(chǎn)強(qiáng)度。 而采用流加發(fā)酵法進(jìn)行而采用流加發(fā)酵法進(jìn)行PHAsPHAs的生產(chǎn)時(shí)，就可以在某些的生產(chǎn)時(shí)，就可以在某些必需的營(yíng)養(yǎng)成分成為生長(zhǎng)限制因素之前，對(duì)其進(jìn)行定量流加，必需的營(yíng)養(yǎng)成分成為生長(zhǎng)限制因素之前，對(duì)其進(jìn)行定量流加，延長(zhǎng)細(xì)胞的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，從而可獲得較高的菌體濃度。延長(zhǎng)細(xì)胞的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，從而可獲得較高的菌體濃度。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁(yè)，共57頁(yè) （一）

48、（一） 采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)PHBPHB 在實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇限制培養(yǎng)基中的氮源作為流在實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇限制培養(yǎng)基中的氮源作為流加控制的手段，因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)對(duì)氮源的依賴(lài)比對(duì)其他加控制的手段，因?yàn)槲⑸锏纳L(zhǎng)對(duì)氮源的依賴(lài)比對(duì)其他離子更強(qiáng)，微生物對(duì)氮源的同化作用也比其他離子更快。離子更強(qiáng)，微生物對(duì)氮源的同化作用也比其他離子更快。 研究發(fā)現(xiàn)，在流加培養(yǎng)過(guò)程中，控制恰當(dāng)?shù)奶嫉认喈?dāng)重要。研究發(fā)現(xiàn)，在流加培養(yǎng)過(guò)程中，控制恰當(dāng)?shù)奶嫉认喈?dāng)重要。為什么？為什么？ 在在PHBPHB 合成階段開(kāi)始時(shí)，采用較低的碳氮比可以保持細(xì)合成階段開(kāi)始時(shí)，采用較低的碳氮比可以保持細(xì)胞具有較高的胞具有較

49、高的PHBPHB合成能力，合成能力，隨著胞內(nèi)隨著胞內(nèi)PHBPHB 含量的增加，微含量的增加，微生物細(xì)胞的生物細(xì)胞的PHBPHB合成能力下降，這時(shí)可逐漸增加培養(yǎng)基中的合成能力下降，這時(shí)可逐漸增加培養(yǎng)基中的碳氮比。碳氮比。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁(yè)，共57頁(yè) 在流加培養(yǎng)過(guò)程中，可以通過(guò)在線檢測(cè)尾氣中在流加培養(yǎng)過(guò)程中，可以通過(guò)在線檢測(cè)尾氣中COCO2 2濃度，濃度，來(lái)間接估計(jì)胞內(nèi)來(lái)間接估計(jì)胞內(nèi)PHBPHB含量，達(dá)到適時(shí)控制培養(yǎng)過(guò)程中碳氮含量，達(dá)到適時(shí)控制培養(yǎng)過(guò)程中碳氮比的目的。比的目的。 真氧產(chǎn)堿桿菌真氧產(chǎn)堿桿菌A.eutrophusA.eutrophus是到目前為止對(duì)其動(dòng)力是到目前為止對(duì)其動(dòng)力學(xué)和代

50、謝途徑研究得較為透徹的、也是唯一已用于工學(xué)和代謝途徑研究得較為透徹的、也是唯一已用于工業(yè)過(guò)程來(lái)生產(chǎn)多聚體的一類(lèi)微生物，業(yè)過(guò)程來(lái)生產(chǎn)多聚體的一類(lèi)微生物，此菌能利用多種基此菌能利用多種基質(zhì)如葡萄糖、果糖、乙酸、丁酸或質(zhì)如葡萄糖、果糖、乙酸、丁酸或H H2 2、O O2 2和和COCO2 2的混合氣體等的混合氣體等來(lái)合成來(lái)合成PHBPHB?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁(yè)，共57頁(yè) 通過(guò)對(duì)真氧產(chǎn)堿桿菌其生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在菌體通過(guò)對(duì)真氧產(chǎn)堿桿菌其生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在菌體生長(zhǎng)階段和生長(zhǎng)階段和PHBPHB形成階段之間存在一短暫的過(guò)度階段，形成階段之間存在一短暫的過(guò)度階段，此過(guò)程此過(guò)程階段在氮源耗盡

51、的同時(shí)形成，僅維持不到一個(gè)世代時(shí)間，階段在氮源耗盡的同時(shí)形成，僅維持不到一個(gè)世代時(shí)間，此時(shí)，殘留菌體和蛋白質(zhì)的形成速率降為零，并且它們的此時(shí)，殘留菌體和蛋白質(zhì)的形成速率降為零，并且它們的含量在隨后的時(shí)間內(nèi)保持恒定，含量在隨后的時(shí)間內(nèi)保持恒定，而而PHBPHB的形成速率迅速達(dá)到最的形成速率迅速達(dá)到最大值，隨后逐漸下降至最終為零。大值，隨后逐漸下降至最終為零。 很明顯，在以氮源為限制條件的很明顯，在以氮源為限制條件的PHBPHB形成過(guò)程中，限量形成過(guò)程中，限量添加氮源能促進(jìn)添加氮源能促進(jìn)PHBPHB的積累，的積累，這些結(jié)果與前面提到的用甲基營(yíng)這些結(jié)果與前面提到的用甲基營(yíng)養(yǎng)菌合成養(yǎng)菌合成PHBPHB

52、的情況相一致，的情況相一致，在在PHBPHB形成階段維持很低濃度的形成階段維持很低濃度的氮源時(shí)，氮源時(shí)， PHBPHB的形成速率比不加氮源的情況要高。的形成速率比不加氮源的情況要高?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁(yè)，共57頁(yè)（二）（二） 采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)共聚物采用流加培養(yǎng)法生產(chǎn)共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV） 由由3-3-羥基丁酸和羥基丁酸和3-3-羥基戊酸聚合而成的共聚物羥基戊酸聚合而成的共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV） 是瓦爾恩等人在是瓦爾恩等人在19741974年從活性污泥的絮凝物中分離出的第年從活性污泥的絮凝物中分離出的第一個(gè)共聚物，也是目前最具工業(yè)前景和吸引力

53、的共聚物。一個(gè)共聚物，也是目前最具工業(yè)前景和吸引力的共聚物。 在共聚物在共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV）的生產(chǎn)過(guò)程中，流加發(fā)酵操作比的生產(chǎn)過(guò)程中，流加發(fā)酵操作比分批發(fā)酵具有明顯優(yōu)勢(shì)。為什么？分批發(fā)酵具有明顯優(yōu)勢(shì)。為什么？ 丙酸或戊酸是生產(chǎn)共聚物丙酸或戊酸是生產(chǎn)共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV） 所必需的基質(zhì)，所必需的基質(zhì)，由于這些有機(jī)酸對(duì)菌體細(xì)胞具有一定的毒性，采用流加培養(yǎng)由于這些有機(jī)酸對(duì)菌體細(xì)胞具有一定的毒性，采用流加培養(yǎng)法，法，可避免由于培養(yǎng)基中有機(jī)酸的積累而使細(xì)胞活力受到損害，可避免由于培養(yǎng)基中有機(jī)酸的積累而使細(xì)胞活力受到損害，從而達(dá)到提高從而達(dá)到提高P P

54、（HB-co-HVHB-co-HV） 產(chǎn)率的目的。產(chǎn)率的目的。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁(yè)，共57頁(yè) 除除3-3-羥基丁酸外，現(xiàn)在已知有羥基丁酸外，現(xiàn)在已知有4040多種不同的脂肪酸可作為多種不同的脂肪酸可作為PHAsPHAs的組成成分。的組成成分。 最近的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)能積累最近的研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)能積累PHBPHB的微生物也具有積累的微生物也具有積累共聚物共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV）的能力，的能力，而且各種微生物從有機(jī)酸合成而且各種微生物從有機(jī)酸合成共聚物共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV）的途徑和對(duì)有機(jī)酸的耐受能力也各的途徑和對(duì)有機(jī)酸的耐受能力也各不相同。不相

55、同。 由于所用的合成共聚物的基質(zhì)（如丙酸或戊酸）價(jià)格相對(duì)由于所用的合成共聚物的基質(zhì)（如丙酸或戊酸）價(jià)格相對(duì)較昂貴，較昂貴，如果丙酸在代謝過(guò)程中轉(zhuǎn)向產(chǎn)能或形成乙酰如果丙酸在代謝過(guò)程中轉(zhuǎn)向產(chǎn)能或形成乙酰CoACoA，進(jìn)進(jìn)而形成而形成HBHB單體，將會(huì)使共聚物中單體，將會(huì)使共聚物中HVHV單體的含量下降而導(dǎo)致生單體的含量下降而導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。產(chǎn)成本的增加?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁(yè)，共57頁(yè) 除丙酸和戊酸能被作為生產(chǎn)共聚物除丙酸和戊酸能被作為生產(chǎn)共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV）的基質(zhì)的基質(zhì)外，外，最近得到的由真氧產(chǎn)堿桿菌最近得到的由真氧產(chǎn)堿桿菌A.eutrophusA.eutroph

56、us 異亮氨酸缺異亮氨酸缺陷型突變株自發(fā)轉(zhuǎn)變成的光養(yǎng)株陷型突變株自發(fā)轉(zhuǎn)變成的光養(yǎng)株R R3 3，能從單一的如葡萄糖能從單一的如葡萄糖或果糖等無(wú)關(guān)聯(lián)碳源產(chǎn)生共聚物或果糖等無(wú)關(guān)聯(lián)碳源產(chǎn)生共聚物P P（HB-co-HVHB-co-HV）。）。 例如以果糖為碳源時(shí)，共聚物占細(xì)胞干重的例如以果糖為碳源時(shí)，共聚物占細(xì)胞干重的47%47%， HVHV單體含量單體含量7%7%，這些發(fā)現(xiàn)，一方面給這些發(fā)現(xiàn)，一方面給PHAsPHAs生物合成和調(diào)節(jié)機(jī)制生物合成和調(diào)節(jié)機(jī)制的研究增加了新的內(nèi)容，的研究增加了新的內(nèi)容，同時(shí)，也開(kāi)辟了一條探索從廉價(jià)同時(shí)，也開(kāi)辟了一條探索從廉價(jià)的單一碳源生產(chǎn)共聚物的單一碳源生產(chǎn)共聚物P P（

57、HB-co-HVHB-co-HV）的新路。的新路。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁(yè)，共57頁(yè)（三）流加培養(yǎng)條件對(duì)多聚體相對(duì)分子質(zhì)量分布的影響（三）流加培養(yǎng)條件對(duì)多聚體相對(duì)分子質(zhì)量分布的影響 多聚體的相對(duì)分子質(zhì)量常常影響其質(zhì)量和生物降解的速率。多聚體的相對(duì)分子質(zhì)量常常影響其質(zhì)量和生物降解的速率。 一般平均相對(duì)分子質(zhì)量大且相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍窄的多聚一般平均相對(duì)分子質(zhì)量大且相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍窄的多聚體具有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，并且提取也較方便，體具有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景，并且提取也較方便，而對(duì)于某些而對(duì)于某些特殊用途，相對(duì)分子質(zhì)量不宜超過(guò)特殊用途，相對(duì)分子質(zhì)量不宜超過(guò)1 110105 5。 多聚體的平均

58、相對(duì)分子質(zhì)量大小受流加培養(yǎng)條件的影響。多聚體的平均相對(duì)分子質(zhì)量大小受流加培養(yǎng)條件的影響。當(dāng)培養(yǎng)條件恒定時(shí)，其平均相對(duì)分子質(zhì)量也可以保持恒定，當(dāng)培養(yǎng)條件恒定時(shí)，其平均相對(duì)分子質(zhì)量也可以保持恒定，因而只要控制適宜的流加培養(yǎng)條件，就可將其相對(duì)分子質(zhì)量因而只要控制適宜的流加培養(yǎng)條件，就可將其相對(duì)分子質(zhì)量控制在所需的范圍之內(nèi)?？刂圃谒璧姆秶畠?nèi)。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁(yè)，共57頁(yè) 蘇祖凱等人對(duì)假單胞菌屬的微生物以甲醇為基質(zhì)合成蘇祖凱等人對(duì)假單胞菌屬的微生物以甲醇為基質(zhì)合成PHBPHB時(shí)時(shí)的培養(yǎng)條件（如溫度、的培養(yǎng)條件（如溫度、pHpH、甲醇濃度等）進(jìn)行了研究。甲醇濃度等）進(jìn)行了研究。 發(fā)現(xiàn)溫度會(huì)影響發(fā)現(xiàn)

59、溫度會(huì)影響PHBPHB的形成速率和含量，但對(duì)其聚合的形成速率和含量，但對(duì)其聚合度沒(méi)有影響；度沒(méi)有影響； pHpH值對(duì)聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量的影響很小；值對(duì)聚合物平均相對(duì)分子質(zhì)量的影響很小； 在流加培養(yǎng)過(guò)程中，甲醇濃度對(duì)多聚體平均相對(duì)分子質(zhì)在流加培養(yǎng)過(guò)程中，甲醇濃度對(duì)多聚體平均相對(duì)分子質(zhì)量的大小有顯著影響。量的大小有顯著影響。 當(dāng)甲醇濃度很低（如當(dāng)甲醇濃度很低（如0.50.5g/Lg/L）時(shí)，其平均相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)，其平均相對(duì)分子質(zhì)量可達(dá)可達(dá)8 810105 5，當(dāng)甲醇濃度很高（如，當(dāng)甲醇濃度很高（如3232g/Lg/L）時(shí)，其平均相對(duì)分時(shí)，其平均相對(duì)分子質(zhì)量小于子質(zhì)量小于0.5 0.5 1010

60、5 5 ?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁(yè)，共57頁(yè) 除采用改變流加培養(yǎng)中基質(zhì)濃度的方法來(lái)改變聚合物的相對(duì)除采用改變流加培養(yǎng)中基質(zhì)濃度的方法來(lái)改變聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量大小外，另一個(gè)方法是利用細(xì)胞內(nèi)分子質(zhì)量大小外，另一個(gè)方法是利用細(xì)胞內(nèi)PHBPHB 的不平衡降解來(lái)的不平衡降解來(lái)改變其相對(duì)分子質(zhì)量分布。改變其相對(duì)分子質(zhì)量分布。 細(xì)胞積累多聚體是為其在惡劣環(huán)境下生存所用，因而，細(xì)胞積累多聚體是為其在惡劣環(huán)境下生存所用，因而，如果在培養(yǎng)過(guò)程中的某一階段僅添加氮源而不加碳源，如果在培養(yǎng)過(guò)程中的某一階段僅添加氮源而不加碳源，PHBPHB就會(huì)被細(xì)胞降解，作為能源加以利用，就會(huì)被細(xì)胞降解，作為能源加以利用，而且，低分子量