生物降解材料研究院原创报道,近日,一则《全球首次利用餐厨垃圾合成PHA项目中试完成》新闻引发关注,这是清华大学环境学院与北京本农环保公司的合作项目。 这里说的生物降解材料PHA是什么,它是怎么合成的?今天我们来探讨一下。 PHA是聚羟基脂肪酸酯,作为一种新型的可完全生物降解的热塑性塑料,具有生物相容性、生物可降解性、动物可食用性。 清华大学陈国强教授曾说,PHA动物可以食用,他的学生曾尝试过,“味道还可以”。 01 PHA PHA有一些特殊的性能,包括生物可降解性、生物相容性、环境友好性等。正是由于这些特殊性能的存在,使得PHA拥有许多潜在的应用前景,各国科学家对PHA进行了很多工艺流程开发和具体性能探索。 02 PHA的降解 PHA降解条件 注:此处用的生物基降解材料PHA:100% ①环境中含有能降解PHA的微生物,这些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在,但是在不同的环境所拥有的微生物活性及其群落数量有所不同,因此PHA的降解速度也有所区别。 ②环境里拥有足够多的水分、氧气、矿物质和葡萄糖等微生物存活所需要的养分,PHA可以作为微生物的碳源,被微生物摄取利用。微生物在分解消耗PHA时需要进行呼吸运动,因此需要氧气、水分和葡萄糖等提供呼吸运动的原料。 ③对于不同类型的微生物及聚合物体系,需要提供一定的温度条件(20℃~60℃)和一定pH值(5~8)。 一般认为PHA的降解首先是在一定的条件下,各种附在培养基表面增殖的微生物释放出特定的降解酶。在降解酶的催化作用下,聚合物分解成很小的分子段,当聚合物分子量降到500g/mol以下时,就很容易被微生物吸收消化。 03 PHA合成关键点 PHA的生物合成主要分为三部分:主要微生物、主要基质、PHA的代谢途径与调控。主要的微生物有产碱杆菌、假单胞菌、甲基营养菌、固氮菌、红螺菌等;主要基质有糖质碳源(葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等)、甲烷、气体H2/CO2/O2、烷烃及其衍生物等。 04 微生物法合成PHA 与纯菌种合成PHA相比,利用混合菌群合成PHA有很多优点,例如在驯化过程中混合菌群的选择基于生态原理,菌种稳定,为PHA的工业化生产创造了前提; 混合菌群合成PHA的工艺主要有厌氧—好氧交替运行工艺、微氧—好氧工艺和好氧瞬时进料工艺。 1)厌氧—好氧交替运行工艺 在好氧单元,外界碳源浓度变低,ATP、NADPH以及细胞的前体物质供应不足,PAOs和GAOs便分解体内的PHA,从而产生能量,并用于细胞、聚磷和糖元的合成,进而细胞内的PHA含量降低。 Iwamoto等研究了厌氧—好氧交替运行工艺下,活性污泥中的肝糖原对乙酸盐(细菌培养底物)吸收的影响。研究结果表明,在厌氧条件下糖原的消耗、乙酸盐的吸收与PHA的积累成比例,在后续的有氧条件下,积累的PHA耗尽,消耗的肝糖原恢复到与厌氧阶段开始时的水平。 Jiang等研究了在厌氧—好氧交替运行工艺下,不同质量比的丙酸和乙酸对PHA的厌氧和好氧转化、组成和合成速率的影响。 研究结果表明,随着丙酸与乙酸比值的增加,总PHA的厌氧产率由1g挥发性悬浮物(VSS)可得到4.226mmol下降到1gVSS可得到2.469mmol;PHA中3-羟基丁酸酯(3H)的质量分数由70%左右下降到10%,3-羟基戊酸酯(3HV)和3-羟基-2-甲基戊酸酯(3H2MV)的含量增加。 综上所述,当将富集的GAOs应用于PHA的合成时,可以通过改变进料组成来控制PHA的组成、产率和合成速率。 Zeng等研究了厌氧和好氧模式下GAOs和PAOs的代谢途径。研究结果表明,在pH值为7时,厌氧阶段的GAOs最大乙酸吸收速率比PAOs慢,好氧阶段的GAOs每添加1tool乙酸乙酯生成的PHA质量比PAOs高约9%。这表明PAOs和GAOs分别在厌氧—好氧过程的厌氧阶段和好氧阶段具有竞争优势。 从研究可以看出,厌氧—好氧工艺合成PHA的研究主要集中在有机酸的代谢机制上。在厌氧和好氧阶段,GAOs和PAOs对底物(乙酸、丙酸等)的吸收速率不同,因此在不同阶段形成PHA的质量发生改变。 2)微氧—好氧工艺 给好氧单元供应过量的氧气,微生物会消耗体内的PHA促进细胞生长。PHA的积累—分解过程循环往复,进而筛选出能积累PHA的微生物,提高PHA的合成率。 Blunt等研究了微氧工艺模式对恶臭假单胞菌LS46以脂肪酸为底物合成中链多羟基烷酸酯产率的影响。 3)好氧瞬时进料工艺 当底物丰富时,PHA在微生物体内贮存;当底物匮乏时,PHA则被分解以获取能量和碳源维持细胞代谢。 Chen等研究了用新型三段连续进料方式培养混合微生物(MMC)、高效积累PHA的方法。结果表明,在低生物量负荷率的连续进料模式下,且以混合挥发性脂肪酸盐为底物、pH值为5时,获得最大胞内PHA质量(质量分数为70.4%)和PHA收率。 4)其他工艺 05 PHA材料的应用 [1]http://www./zhuanli/27/201810450011.html [2]https://wenku.baidu.com/view/4a76567133687e21af45a975.html |
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