聚羥基脂肪酸酯

PHA 的大多數(shù)單體是鏈長(zhǎng)3～14 個(gè)碳原子的3-羥基脂肪酸，其側(cè)鏈R是高度可變的飽和或不飽和、直鏈或支鏈、脂肪族或芳香族的基團(tuán)。根據(jù)單體的碳原子數(shù)。

PHA可以根據(jù)單體中碳原子數(shù)目的不同分為3種：短鏈 short-chain-length (SCL) 即3-5個(gè)碳原子, 中鏈medium-chain-length (MCL) 即6-14個(gè)碳原子 and 長(zhǎng)鏈long-chain-length (LCL) 即多于14個(gè)碳原子。已經(jīng)有多于100種不同的單體被報(bào)道，但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多于14個(gè)碳原子組成的長(zhǎng)鏈PHA。

PHA是由具有光學(xué)活性的(R)23HA 單體組成的線性可降解聚酯 ,其物理性質(zhì)主要是由其單體組成決定的. 由3 (HB) 組成的均聚物P (3HB) 機(jī)械性能和加工性能都比較差,而其它的單體的插入會(huì)顯著地改善PHA 的性能并帶來(lái)一些新的特性,所以對(duì)非3 (HB) 單體的尋找吸引了科技和工業(yè)界的注意。P(3HB) 是最常見(jiàn)的生物聚酯,可以被很多種細(xì)菌所合成，其結(jié)晶度為55 %～80 % 。不過(guò),在細(xì)菌體內(nèi)的聚合物為不溶于水的包涵體為無(wú)定型態(tài)。

20世紀(jì)初,在Azotobacter chroococcum中發(fā)現(xiàn)了一種親蘇丹染料、可溶于氯仿的類脂肪包涵體，其后在Bacillus megaterium中又發(fā)現(xiàn)了類似的包涵體，其組成被鑒定為聚-D-3-羥基丁酸（poly-D-3-hydroxybutyric acid or P-(3HB) )。20 世紀(jì)60年代，除了D ( ─)-3-羥基丁酸(3HB) ，其它單體開(kāi)始有了報(bào)道。 20 世紀(jì)80 年代初，在細(xì)菌合成的PHA 中發(fā)現(xiàn)了3-羥基戊酸、3-羥基己酸和3-羥基辛酸單體。之后,在眾多的PHA 合成菌中發(fā)現(xiàn)了許多新的單體，到1998 年,已經(jīng)有超過(guò)125 種PHA 被發(fā)現(xiàn)。可以期望將有更多的PHA 組成單體通過(guò)用不同的菌種、不同的發(fā)酵底物以及代謝調(diào)控等方法被合成和發(fā)現(xiàn)。

聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)，是近20多年迅速發(fā)展起來(lái)的，是很多微生物合成的一種細(xì)胞內(nèi)聚酯，是一種天然的高分子生物材料。由于PHA同時(shí)具有良好的生物相容性能?生物可降解性和塑料的熱加工性能，所以它同時(shí)可作為生物醫(yī)用材料和生物可降解包裝材料，因此它已經(jīng)成為近年來(lái)生物材料領(lǐng)域最為活躍的研究熱點(diǎn)。PHA還具有非線性光學(xué)性?壓電性?氣體相隔性很多高附加值性能。

天然的或合成的生物可降解的高分子材料往往有很高的水蒸氣透過(guò)性，這在食品保鮮中是不利的。而PHA則具有良好的氣體阻隔性，使其可能應(yīng)用在較長(zhǎng)時(shí)間的鮮品保鮮包裝上。因?yàn)樗拇┩甘潜ｕr包裝中的重要指標(biāo)，PHA在這一點(diǎn)上的性能是完全可以和PET?PP等產(chǎn)品等相比的。另—方面，PHA還具有較好的水解穩(wěn)定性，將由PHA制成的杯子用75℃的自動(dòng)洗碗機(jī)總洗20個(gè)循環(huán)，它的形狀和分子量都沒(méi)有發(fā)生變化，表明PHA可以很好地用于器具生產(chǎn)。此外與其它聚烯烴類?聚芳烴類聚合物比，PHA還具有很好的紫外穩(wěn)定性。PHA還可作為生物可降解的環(huán)保溶劑的來(lái)源，如乙基羥基—酸EHB(ethyl3—hydroxy—butyrate)是水溶性的，具有低揮發(fā)性，可以用于清潔劑?膠)粘劑?染料?墨水的溶劑。正因?yàn)镻HA匯集了這些優(yōu)良的性能，使其可以在包裝材料?粘合材料?噴涂材料和衣料?器具類材料?電子產(chǎn)品?耐用消費(fèi)品?農(nóng)業(yè)產(chǎn)品?自動(dòng)化產(chǎn)品?化學(xué)介質(zhì)和溶劑等領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

PHA只能在細(xì)胞體內(nèi)合成。許多蛋白參與了PHA 合成、保持、降解和其它相關(guān)的代謝途徑。因?yàn)镻HA 在細(xì)菌體內(nèi)存在為細(xì)胞質(zhì)內(nèi)不連續(xù)的包涵體,許多蛋白位于PHA 包涵體的表面。

由于PHA 合成酶的關(guān)鍵作用,其作用機(jī)制和性質(zhì)對(duì)細(xì)菌合成PHA 的類型是非常重要的. 不過(guò)因?yàn)楹茈y獲取羥基脂肪酸輔酶A 和高純度的合成酶,對(duì)合成酶的底物特異性研究一直面臨困境. 雖然合成酶底物特異性由其本身的生理環(huán)境決定的,但是還可以用分子手段來(lái)研究在其它環(huán)境中的情況。

合成途徑包括：糖酵解途徑; TCA 循環(huán);脂肪酸B氧化途徑; 脂肪酸生物合成起始途徑; 脂肪酸生物合成延長(zhǎng)途徑; 其它相關(guān)途徑。

據(jù)陳國(guó)強(qiáng)介紹，醫(yī)療級(jí)PHA有優(yōu)異的生物相容性，降解過(guò)程中可以維持力學(xué)性能，而且其降解產(chǎn)物可以促進(jìn)細(xì)胞快速生長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外大量研究表明，其在組織修復(fù)和可吸收醫(yī)療器械中大有可為。但目前市面上沒(méi)有商業(yè)化的醫(yī)療級(jí)PHA供應(yīng)。

PHA生產(chǎn)的另一條可行的途徑是利用轉(zhuǎn)基因植物來(lái)實(shí)現(xiàn)。PHA在植物中的合成，可以利用光能消耗二氧化碳，成為一種可持續(xù)?可再生的材料生產(chǎn)方式。已在煙草?馬鈴薯?棉花?油菜?玉米?苜蓿等植物中實(shí)現(xiàn)了包括 PHB?PHBV以及中長(zhǎng)鏈PHA等不同PHA的合成。而其中在馬鈴薯塊根中的PHA合成是最具生產(chǎn)前景的。PHA的價(jià)格還很難和石油化工塑料相競(jìng)爭(zhēng)，而聚丙稀的價(jià)格低于1美元/kg，而一些最便宜的生物可降解塑料的價(jià)格為3-6美元 /Kg，而當(dāng)今理想的PHB的生產(chǎn)成本為4美元/kg，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，生產(chǎn)成本將進(jìn)一步降低，但很難達(dá)到2-3美元/kg，這主要是由于細(xì)菌發(fā)酵底物成本所決定。 但通過(guò)轉(zhuǎn)基因植物的PHA合成，有望將PHA的成本大大降低，因?yàn)橹参锢枚趸己吞?yáng)能生產(chǎn)植物油和淀粉的成本分別為0.5-1美元/kg和0.25美元/kg，另外植物中PHA的提取過(guò)程也有了較好的研究，提取成本不高于細(xì)菌中PHA的提取成本。PHA在植物中的生產(chǎn)將使經(jīng)濟(jì)作物的可再生資源使用大大地邁進(jìn)，這個(gè)項(xiàng)目的成功可能使到2020年植物生產(chǎn)基本化學(xué)原料和材料中可更新資源的使用增大5倍。

與PLA等生物材料相比，PHA結(jié)構(gòu)多元化，通過(guò)改變菌種?給料?發(fā)酵過(guò)程可以很方便地改變PHA的組成，而組成結(jié)構(gòu)多樣性帶來(lái)的性能多樣化使其在應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)組成PHA分成兩大類:一類是短鏈PHA(單體為C3-C5)，一類是中長(zhǎng)鏈PHA(單體為C6-C14)，這些年已有報(bào)道菌株可合成短鏈與中長(zhǎng)鏈共聚羥基脂肪酸酯。PHA的生產(chǎn)經(jīng)歷了第一代PHA——聚羥基丁酸酯(PHB)，第二代PHA——羥基丁酸酸共聚酯(PHBV)和第三代PHA—羥基丁酸已酸共聚酯(PGBHHx)的生產(chǎn)，第三代PHA的PHBHHx是由清華大學(xué)及其合作企業(yè)實(shí)現(xiàn)了首次大規(guī)模生產(chǎn)，第四代產(chǎn)品P34HB（聚3-羥基丁酸酯/4-羥基丁酸酯共聚物）,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)主要以天津國(guó)韻生物材料有限公司（10000噸/年）和深圳意可曼生物科技有限公司（5000噸/年）。 與傳統(tǒng)化工塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程相比較，PHA的生產(chǎn)是一種低能耗和低二氧化碳排放的生產(chǎn)，因此從生產(chǎn)過(guò)程到產(chǎn)品對(duì)于環(huán)境保護(hù)都是很有利的。

PHA既是一種性能優(yōu)良的環(huán)保生物塑料，又具有許多可調(diào)節(jié)的材料性能，其隨著成本的進(jìn)一步降低以及高附加值應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，將成為一種成本可被市場(chǎng)接受的多應(yīng)用領(lǐng)域生物材料。由于它是一個(gè)組成廣泛的家族，其從堅(jiān)硬到高彈性的性能使其可以適用于不同的應(yīng)用需要。PHA的結(jié)構(gòu)多樣化以及性能的可變性使其成為生物材料中重要的一員。相對(duì)于PLA，PHA發(fā)展的歷史很短，發(fā)展的潛力更大，其應(yīng)用的空間也更大。

PHA因其良好的生物降解性和生物相容性在藥物緩釋體系中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。最早的PHA作為藥物釋放包裹微球的研究是1983年對(duì)于PHB的研究，之后隨著PHBV 的發(fā)展，PHA的藥物包裹研究帶來(lái)了很大的進(jìn)展。研究表明可通過(guò)調(diào)節(jié)PHA的單體組成?分子量?藥物包裹量?包裹顆粒大小實(shí)現(xiàn)藥物的可控速率釋放。此外，很多學(xué)者還利用PCL等其他聚合物與PHA進(jìn)行混合包裹藥物的研究也取得了一定的成果。在PHA近十年的研究熱潮中，雖然在生產(chǎn)和應(yīng)用方面的主要技術(shù)專利仍掌握在美?歐?日等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)中，但我國(guó)這幾年在這方面的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在生產(chǎn)方面掌握了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的菌種和后期工藝，特別是近兩年在組織組織工程研究方面有較好的研究成果，已有多項(xiàng)專利處于申請(qǐng)公開(kāi)期，這些為PHA作為我國(guó)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物材料今后的產(chǎn)業(yè)化打下了良好的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)以去除有機(jī)物和同步脫氮除磷為目標(biāo)的間歇式好氧顆粒污泥反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定維持。系統(tǒng)考察反應(yīng)器內(nèi)的多相流體力學(xué)特征(流態(tài)、液體運(yùn)動(dòng)速率、水力剪切力、曝氣強(qiáng)度等)、傳質(zhì)；非平衡增長(zhǎng)條件下不同生長(zhǎng)速率的微生物(異養(yǎng)菌、硝化細(xì)菌、聚磷菌等)、底物、胞內(nèi)物質(zhì)（聚羥基脂肪酸酯）的儲(chǔ)存、營(yíng)養(yǎng)需求；工藝條件（如沉淀時(shí)間、水力停留時(shí)間、進(jìn)水方式、運(yùn)行方式等等）等對(duì)間歇式好氧顆粒污泥反應(yīng)器的快速啟動(dòng)和長(zhǎng)期 2100433B