Biopol生物降解塑料的开发与应用（上）

汪多仁

（中国石油吉林石化公司）

技术发展方向—技术应用

Biopol生物降解塑料的开发与应用（上）

汪多仁

（中国石油吉林石化公司）

全文介绍了生物降解塑料的性能，生产的主要技术路线与最佳的操作条件及有关进展情况。对于工业化运行的主要生物降解塑料生产工艺的技术特点进行了具体的分析和总结，阐述了国内外研究开发的现状与发展趋势。并探讨了扩大应用范围等的前景与市场需求。

Biopol生物降解塑料开发应用

1 理化性能

Biopol商品名为3－羟基丁酸－3－羟基戊酸共聚物（P3HB／3HV），相对分子质量可达几十万，HV的含量不等，相对密度1.25g／cm3。为可降解的生物塑料。其特点是3HV的含量高，柔韧性好，具有高的抗冲击性，但杨氏模量较低。Biopol从硬质到软质的机械性、耐热性、耐化学品性与气体屏障性好是，燃烧热值低。在好气与厌气的条件下均具有良好的生物降解性。在空气与净水中不发生降解。

因组成聚合物的单体不同，聚羟基丁酸酯衍生聚合物可分为不同的种类，如多聚羟基丁酸简称PHB、羟基丁酸和羟基戊酸共聚体、羟基丁酸和羟基己酸共聚体、羟基丁酸和羟基辛酸共聚体等。单体的碳原子数量不等，而且碳链之间可以是饱和键或不饱和键，羟基可以在3位碳原子上，也可以在4位或其他碳原子上。按单体组成可将多聚羟基烷酸分为两类。多聚羟基烷酸的分子量一般在50，000 Da～1，000，000Da之间。这类高分子聚合物的热塑性质与聚乙烯、聚丙烯非常相似。

2 生产工艺

2.1 操作过程

早在1925年，法国科学家已发现了这种微生物聚酯。1972年英国ICI公司在活性污泥中检测出含有3－羟基戊酸后，经过漫长的开发，发现一种能生产PHB（羟基丁酸）的细菌，学名为碱杆菌属富细菌。经发酵法合成3－羟基丁酸酯（3HB）和3－羟基戊酸酯（3HV）的无规共聚酯－聚羟基丁酸酯－戊酸酯（PHBV）。商品名Biopol。

用细菌为菌种，在各种碳源的存在下，合成聚酯。所用的碳源包括葡萄糖、乙酸、丙酸、丁酸、甲醇和乙二醇等，其中最重要的碳源是丙酸。

自从聚3－羟基丁酸酯，即P3HB或PHB被发现后，已有很多微生物可用于合成PHB，作为主要成分或其中一种成分的均聚或共聚天然脂肪族聚酯。

制取微生物聚酯的菌种有氢细菌、氮固定菌、光合成菌、活性污泥菌等。

利用一种真养产碱杆菌H 16，以丁酸作惟一碳源，在无氮合成培养基中发酵生产PHB，在30℃、pH值为8的条件下培养48 h，PHB累积量可达到干细胞的60%。

利用一种生丝微菌成都亚种8502－3菌株，于甲醇为主要碳源的培养基在35℃，pH值为7.2的条件下连续发酵获得细胞生物量，PHB的最高产率为59.1%，按小时计为0.64 g／L。日本用芽孢杆菌和假单胞菌作生产菌，以质量含量为1%的羟基乙酸作惟一碳源，在30℃下，先于醇酯培养液培养后，再转入4%蔗糖培养液中培养4天（30℃），然后检测PHB产量，前者的PHB质量含量占干细胞的63%，后者为75%。

美国加州研究人员改变基因转移方式，所用外源基因不是来自细菌，而是取自豌豆植物的DNA片段，用它导入拟南芥菜细胞，使其叶绿体能产生PHB颗粒。该植物源基因在宿主植物中表达PHB的产量提高了约3倍，其干重增加14%，并且对植物生长发育无不良影响。这样，为开发植物性PHB成为可能采用发酵工程技术，运用华癸根瘤菌M02菌株进行了分批发酵。

从土壤中筛选一株嗜甲基杆菌以甲醇为底物可大量累积PHB，并可连续进行生产，质量含量（下同）可达干细菌的55%，与以葡萄糖为底物发酵生产PHB类似；也能用来生产PHB与PHV共聚物。甲醇质量浓度控制在1.7 g／L，此共聚物产量平均占干细胞的25%～30%，以甲醇和戊酸混合物为原料可生产PHB与PHV共聚物，其中PHV为PHB的1／5。

由细菌发酵生成PHB，关键是选择最适当的菌种。在培养微生物菌种的过程中，必须选取最适当的环境使细菌繁殖，而且应限制其他的营养源如氮和磷等。

以碳源为底物发酵生产由3－羟基丁酸和3－羟基戊酸而成的共聚物，产品废弃后可生物降解。从土壤中筛选一株嗜甲基杆菌以甲醇为底物可大量累积多聚羟基烷酸，并可连续进行生产，质量含量（下同）可达干细菌的55%，与以葡萄糖为底物发酵生产多聚羟基烷酸类似，也能用来生产多聚羟基烷酸与PHV共聚物。甲醇质量浓度控制在1.7g／L为最佳，此共聚物产量平均占干细胞的25%～30%，以甲醇和戊酸混合物为原料可生产多聚羟基烷酸与PHV共聚物，日本从美国引进的真养产碱杆菌ATCEl7697，采用二步培养法，用气态物质为底物，先在有机培养基中进行培养，达到对数增殖期后，再进行自养培养，从而获得高产率的PHB。在改进Alcaligeuseutrophns的菌体中供给或酸发酵合成P（3HB－HV），其中3HV含量达到95%。在改进的Alcaligeuseutrophns的菌体中供给4－羟基乳酸或r－丁内酯，经培养产生P（3HB－HV）P，产率为60%。利用肥大产碱杆菌，在含蔗糖和r－丁内酯的培养液中进行培养，可生产3－羟基丁酸和4－羟基丁酸共聚物，其产率高达60%。

目前合成的Biopol是聚羟基丁酸酯－戊酸酯共聚物（PHBV），是以葡萄糖为基础，加入丙酸调整HV的比例。当前所用的细菌最具代表性的是Alcaligeneseutraphus，一般采用两步制取。第一步是在34℃下使细菌繁殖，直至繁殖到最大量时，限制一些必须的营养源如氮和磷等。第二步再提高培养液中葡萄糖的浓度，这样在细菌体内开始蓄积PHB。同时加入丙酸后在34℃有氧的空气中继续发酵，使HB单元向无规地嵌入HV链段，在细菌内合成聚酯。通过控制丙酸的加入量来控制HV的比率。发酵后的悬浮水溶液经酶和洗涤剂洗涤、浓缩、离心、喷雾干燥并造粒。PHB的提取和纯化技术是目前开发生产PHB的一个关键，提取方法的不同不仅能显著改变最终产品的性能，而且是影响产品成本的重要因素之一。现在人们从微生物细胞中分离提纯PHB的主要方法有有机溶剂法、酶法和化学试剂法等。

在菌种培养中采用混合培养技术，在解决培养过程中培养物黏度过高、改进培养液介质、提高培养物密度等方面已取得了突破性进展，尤其是在PHB的提取工艺中，可以采用低温冷冻技术对菌体进行预处理，该技术对提高产品质量和降低生产成本效果显著。

用十二烷基磺酸钠从微生物细胞中提取PHB的方法。SDS分子不但可以结合细胞中的蛋白质形成溶于水的复合物，而且能包被脂类分子形成溶于水的胶束，因此可作为一种有效的试剂应用在PHB的分离上。乙二胺四乙酸也具有独特的性质。它是一种螯合剂，可以鏊合蛋白质中的金属离子使其具有水溶性，而且，脂多糖的结构稳定性在EDTA的存在下也能被破坏。

用SDS和EDTA从微生物细胞中提取PHB的方法。

与其他生物技术流程一样，后处理非常关键。由于发酵法除产生聚酯外，还有脂质和蛋白质被膜，必须除掉各种杂质。为此，采用酶可使脂质和蛋白质被膜分解为水溶性物质，再用水洗法提纯，可简化流程，降低成本。直接采用农副产品为原料，将更具竞争力。

改变基因转移方式，所用外源基因不是来自细菌，而是取自豌豆植物的DNA片段，用它导入拟南芥菜细胞，使其叶绿体能产生多聚羟基烷酸颗粒。

生产多聚羟基烷酸主要方法是生化法或生物发酵法。多聚羟基烷酸是许多原核生物于非平衡生长（如缺乏氮磷镁氧等）条件下合成的细胞内碳源和能源的储藏性物质。至今已发现60余种自养及异养菌能产生多聚羟基烷酸，例如碱杆菌属，假单细胞菌属，甲基营养菌属等。可从一种淡水氰基菌或海水氰基菌包括蓝绿藻类基质中分离提取多聚羟基烷酸。1976年，英国ICI公司使用Alealegenes Entropls菌，在普通发酵罐中合成了多聚羟基烷酸。目前对生化法的改进包括利用价格低来源广的农副产品或废弃物作为糖质原料生产多聚羟基烷酸，并利用重组DNA技术，以提高产量。

此方法合成的生物降解高分子比较纯净，无需引入添加剂，由微生物合成的聚酯，可以通过变换组成合成各具不同结构和性质的共聚体，可以制成C12－C17的各种无规共聚物，如多聚羟基丁酸、羟基丁酸和羟基戊酸共聚体［P（HB－COHV）］基丁酸和羟基己酸共聚体LP（HB－COHH）］、羟基丁酸和羟基辛酸共聚体LP（HB－CO－HO）〛等。碳链之间可以是饱和键或不饱和键，按单体组成可将多聚羟基烷酸分为两类：为短侧链多聚羟基烷酸与聚羟基烷酸。

有很多微生物可用来合成多聚羟基烷酸作为主要成分，或其中一种成分的均聚或共聚天然脂肪族聚酯。这些物质作为能源储藏物质，在微生物体内以颗粒状的微粒形式存储。

在培养微生物菌种的过程中，必须选取最适当的环境使细菌繁殖，而且应限制其它的营养源如氮和磷等。

日本曾对真养产碱杆菌、嗜酸假单胞菌在含4－羟基丁酸、丁内酯或1，4－丁二醇的无氮培养基中生产3－羟基丁酸和4－羟基丁酸的共聚物进行了开发。从美国引进了真养产碱杆菌ATCCl7697，采用二步培养法，用CO2、H2O2等气态物质为底物，先在有机培养基中进行培养，达到对数增殖期后，再进行自养培养，从而获得高产率的产品。

在改进Alcaligeuseutrophns的菌体中供给或酸发酵合成P（3HB－CO－3HV），3HV含量达95%。在改进的Alcaligeuseutrophns的菌体中供给4－羟基乳酸或丁内酯，经培养产生P（3HB－CO－4HB），产率为60%。这是一种既有塑料的结晶性又有橡胶弹性的一种高分子材料，在共聚体中，随着4－羟基丁酸含量的增加，断裂伸长率增大，当含量＞40%的共聚体时具有橡胶弹性。4－羟基丁酸比例增加的结果，可使结晶率降至零。

英国帝国化学公司选用一种假单胞菌为生产菌，木糖为惟一碳源，培养出多聚羟基烷酸，占干细胞生物量的60%。日本一家公司用芽孢杆菌和假单胞菌作生产菌，1%的羟基乙酸为惟一碳源，在30℃经醇酯培养液培养后，再转入4%蔗糖培养液内培养4天，随后检测多聚羟基烷酸产量，发现用假单胞菌生产的多聚羟基烷酸质量含量占干细胞的75%。

与传统的化学合成高分子相比，微生物合成高分子具有如下特点：微生物酶体系的高度选择性和专—性；组装过程对培养条件具有响应性；反应条件温和，生产过程和产品对环境友好。PHA是某些微生物处于非平衡生长状态下（如缺乏氮、磷、镁等）细胞内合成的一种储藏性聚酯，在细菌中的功能类似植物中的淀粉和动物中的脂肪。

通过改变菌株的遗传结构，如将合成关键酶基因转入能利用廉价底物的菌株如大肠杆菌中，或把能利用廉价底物的基因导入到生产菌株中以提高产量、降低成本，以及寻找具有新的物理机械特性或者特殊用途的PHA等措施，来增强细菌发酵法生产的生物可降解塑料的市场竞争力，多聚羟基烷酸有着与石化塑料相似的理化性质，又能在一定条件下被微生物迅速而彻底地降解，因此多聚羟基烷酸是一种理想的传统石化塑料替代品。

现已发现的革兰氏阴性、氧化性、能运动的短杆菌，经鉴定为肥大产碱菌。该菌株具有优良的产聚羟基丁酸（多聚羟基烷酸）能力，能利用常见的碳源，生长要求较简单，经提取后的多聚羟基烷酸纯度与Sigma产品相一致。能得到为细胞干重23.9%的多聚羟基烷酸。该菌株有工业应用前景。

很多野生菌在被发现能够合成PHA，即被用来进行大规模生产。许多优良的PHA生产菌应该具备可以利用便宜的碳源、生长迅速及易于操作提取PHA等特点。为了达到商业化的目标，人们利用改良菌种、优化发酵和提取工艺等一系列手段来降低PHA的生产成本。

从简单而便宜的碳源中生产出具有更多不同单体组成的PHA，对PHA的广泛应用非常重要，从这种意义上讲，CO2是最理想的碳源。有的研究把酵母、蓝藻、植物和昆虫细胞作为PItA潜在的生产者获得了成功。出于经济考虑，植物和蓝藻是最有可能的候选者。在不久的将来，PHA就可能不是被生产出来，而是从转基因植物中获取了。

目前正在研究培育能生产含大量所需聚羟基丁酸酯物质的菜籽油的油菜。为此，研究人员正在将真养产碱杆菌的基因转移入油菜的遗传物质。这项研究获得成功，则可望大大降低聚合物的生产成本，从而增加其供应量，产生更大的环境效益。

例1将豆芽汁100g，葡萄糖5g，（NH4）2SO44g，MgSO40.6 g，KH2PO40.61 g，K2HPO40.39g，CaCl20.1 g，NaCl0.1 g，微量元素液4 mL，pH值为7.0，加水定容至l，000mL。

发酵培养基为葡萄糖30g，其他成分与种子培养基相同。发酵罐装料容积5L，两层六平直叶搅拌器，四挡板，起始培养体积4 L，接种量5%，培养温度29℃，通气量1∶l，搅拌转速200～800 r／min，溶氧控制大于10%，以6 mol／L NaOH和6 mol／L HCl调节pH值恒定在7.0。

分批发酵起始发酵罐装料容积3 L，接种量10%，发酵条件控制同分批发酵，控制溶氧大于10%，必要时补纯氧。通过发酵条件的调节尽量延长细胞处于对数生长期的时间，从而得到较高的细胞量和产物量。用发酵罐的补料泵分次补入50%葡萄糖和20%（NH4）2SO4，使糖和铵离子的浓度分别保持在10 g／L～30g／L和1 g／L～4 g／L。培养基其它成分，按照分批发酵的数据和菌体生长情况随时加入，保证营养充足。

例2 LB培养基，将M9培养基中除碳源外的所有组分的浓度分别提高2倍和4倍，配制成2× M9和4×M9培养基。

培养方法：

培养温度均为37℃，接种量均为10%。摇床培养时，300mL三角瓶中装50mL培养基，摇床转速为280 r／min，培养48h。发酵罐培养，采用27L搅拌式不锈钢发酵罐。

向罐中投入15L的M9培养基，葡萄糖与4HB浓度分别为1%与0.4%，补料液为60%的葡萄糖、2%的硫酸镁与4%的酵母提取液，当培养基中葡萄糖的浓度低于0.5%时，补加1%的葡萄糖。当培养基中4HB的浓度低于0.05%时，用26%的4HB储液向培养基中补加0.4%的4HB。搅拌速度为600～1，000r／min，以控制溶氧浓度在20%以上。酸碱双向调控维持pH7.0。

例3所用菌种为圆褐固氮菌G－3。

培养基：

蔗糖20g／L，K2HPO40.8 g／L，KH2PO40.2g／L，MgSO4·2H2O 0.2 g／L，CaCO32 g／L，FeCl3.6H2O 0.125 g／L，Na2MoO4·2H2O 0.25g／L，蛋白胨1 g／L，pH 7.2。培养方法采用圆褐固氮菌G－3菌株进行培养，控制温度30℃，pH7.2酸碱双向调控，初始装量l.2L，接种量l0%。

（未完待续：见本刊2016年第2期）

Biopol of biodegradable plastics Development and app lication

WANG DUO REN
（Petrochina Jilin petrochemical Corpant）

Advances in and prospect of Biopol of biodegradable plasticsmanufacturing technology The advances in Glyoxalmanuf acturing technologywere reviewed 1n the paper.The features the tcchnologies for industrial production of Biopol of biodegradable plasticswere discussed and reviewed.processes of Biopol of biodegradable plastics producing and optimum con—ditions and new development ofmagnesium borate whisker and their ststus quo and devepmant trends of sends athome and abroad have been presented in the article for future developmentof application are evaluated and marked demand

Biopol of biodegradable plastics develpment Application