生物合成PHA-精选课件.pptx

1、细菌合成细菌合成聚羟基烷酸聚羟基烷酸PHA由100-30000个相同或不同羟基脂肪酸单体的高分子聚合物。属于酯类，亦称聚羟基烷酸酯（PHAs）。3 PHAs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、抗射线等外，还具有生物可降解性和生物可相容性。香波瓶100年个月合成塑料PHAs原料原料降解降解 其中，m=1，2 或3，n 为单体数目，R 代表侧链，多为C1C13 的不同链长的正烷基，也可以是支链，不饱和的或带取代基的烷基。当m=1 时，R 为甲基时，为（PHB），是PHA中最常见而又最重要的一种。5二、PHAs的结构、物理化学性质和应用 多种微生物在一定条件下能在胞内积累PH

2、As作为碳源和能源的贮存物。由于PHAs具有低溶解性和高分子量，它在胞内的积累不会引起渗透压的增加，是理想的胞内贮藏物，比糖原、多聚磷酸或脂肪更加普遍地存在于微生物中。PHAs的通式可写成：2_ _ _ _ _RC_On_ _OCH CH单体数目6聚合物命名 R为甲基时，其聚合物为聚-羟基丁酸(PHB)R为乙基时，其聚合物为聚-羟基戊酸(PHV)在一定条件下两种或两种以上的单体还能形成共聚物，其典型代表是3HB和3HV组成的共聚物P(3HB-co-3HV)。7 大多数有关细菌PHAs的物化性质的研究是针对PHB和PHBV两种聚合物进行的。PHB是高度结晶的晶体，结晶度的范围在5580%，其在物

3、理性质甚至分子结构上与聚丙烯(PP)很相似，例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而比重大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、阻湿性等则是PHB的优点，见表7-2-1。PHAs的结构、物理化学性质89 PHB较脆和发硬，但可通过与适量HV共聚而补偿。随着PHBV中HV组分的增加，聚合物的劲度降低而韧性增加，且共聚物的熔点随着HV组分的增加而降低，使得较易对其进行热加工处理。单体4HB的聚合物或3HB与4HB的共聚物P(3HB-co-4HB)则是高弹体，且其生物降解的速度比均聚PHB或PHBV更快。PHAs的结构、物理化学性质-续HV-羟基戊酸HB-羟基丁酸10PHAs的应用的应用sh

4、ampoo bottles bicycle helmet 11二、PHAs的生物合成 合成PHAs的主要微生物 合成PHAs的主要基质 PHAs的代谢途径与调控12 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种微生物。目前研究的较多的微生物：产碱杆菌属(Alcaligenes europhus,现在更名为Ralstonia eutropha)假单胞菌属(Pseudonomas)甲基营养菌(Methylotrophs)固氮菌属(Azotobacter)红螺菌属(Rhodospirilum)（一）合成PHAs的主要微生物13 真养产碱杆菌(Ralstonia

5、eutropha)为革兰氏阴性的兼性化能自养型细菌 积累PHB可达细胞干重的90%以上 能利用糖加丙酸或戊酸产生P(3HB-co-3HV)改变基质该菌还能将4HB和5HV结合到3HB的结构中去，形成4HB或5HV单体与3HB的共聚物。采用带有真养产碱杆菌PHB合成基因的重组大肠杆菌(E.coli)。工业化生产PHAs的微生物14（二）、合成PHAs的主要基质(1)、糖质碳源、糖质碳源葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。(2)、甲醇、甲醇 甲醇是最便宜的基质之一，ICI拥有生产甲醇单细胞蛋白的技术经验，曾考虑用甲醇作基质生产PHB。甲醇菌积累PHB含量不高，PHB回收成本大，PHB的分子量较小。（3）、

6、气体）、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作为基质按其价格和产率而言(见表1)在经济上是划算的，且H2又是一种干净的可再生资源。可以同时解决两个严重的环境污染问题：温室效应及废弃的非降解塑料对生态环境的危害。安全性问题：解决混合气体爆鸣的安全问题和气体的循环利用问题。控制基质气相中氧的浓度低于气体爆炸的下限(6.9%)是安全的。1516（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、酸等产生中等链长羟基烷酸的共聚物(PHAMCL)，共聚物中单体的组成与基质碳架的长度有

7、关。以辛烷作基质连续培养食油假单胞菌(P.oleovorans)，稳定态细胞浓度11.6g/l，PHA的生产强度为0.58g/Lh，17（三）PHAs的代谢途径与调控 PHAs的产生机理的产生机理 微生物在碳源过量而其他营养如氮、磷、镁或氧不足时，积累大量PHAs作为碳源和能源的贮存物，或作为胞内还原性物质还原能力的一种储备。当限制性营养物再次被提供时，PHAs能被胞内酶降解后作为碳源和能源利用。18 胞中积累的PHAs存在形式 以单个粒子的形态存在，每个细胞含有的颗粒数量的大小随微生物种类而不同，在Ralstonia eutropha中，每个细胞含有8-10个颗粒，每个颗粒直径大小为0.2-

8、0.5m；以非晶体形式存在。具有高度的折光性，颗粒外面包裹着一层膜，没有生物膜那样的典型双层结构，膜中含有PHAs合成酶的降解酶系统。19三、三、PHAs的发酵生产的发酵生产 PHAs实现大规模工业化生产的主要障碍是生产成本。英国帝国化学公司(ICI)认为影响PHAs生产成本的主要因素有 菌种 原料 操作方式 提取方法20因而降低PHAs的生产成本主要措施(1)采用廉价基质(如CO2、H2和O2，甲醇，乙醇，葡萄糖及来自农业废物的有机酸等)和提高产物对基质的产率系数，降低发酵原材料的成本；(2)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；(3)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。21PHAs的流加发酵的流加发酵 在PHAs的生产中，通常采用分批发酵法和流加发酵法，有时用连续培养法来获得高的生产强度。由于Ralstonia eutropha只有在某种营养成份氮、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PHAs，一般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成大量菌体，而多聚体PHAs的积累量很少；第二阶段为多聚体形成阶段，当培养基中某种营养耗尽时，细胞进入PHAs形成阶段，在此阶段PHAs大量形成而菌体细胞基本上不繁殖。