01

PHA

PHA的英文名為：PolyHydroxyAlkanoates，中文名稱叫聚羥基脂肪酸，是一種高分子生物材料，大量的存在微生物細(xì)胞特別是細(xì)菌細(xì)胞中。

其中R是烷基、烴基等，m為3～14的任意數(shù)字。因此PHA種類繁多，結(jié)構(gòu)具有多樣性。

根據(jù)PHA單體中碳原子數(shù)目的不同將PHA分為3類：短鏈PHA(scl—PHA)，含3～5個碳原子；中鏈PHA(mcl．PHA)，含6-14個碳原子；長鏈PHA(1cl—PHA)，多于14個碳原子。

PHA的分子量為1000～1000000，玻璃態(tài)溫度為-60℃～+60℃，熔點為+40℃～190℃，它對水蒸氣和空氣中大多數(shù)氣體的阻隔性能類似于PET。

PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、環(huán)境友好性等。正是由于這些特殊性能的存在，使得PHA擁有許多潛在的應(yīng)用前景，各國科學(xué)家對PHA進(jìn)行了很多工藝流程開發(fā)和具體性能探索。

PHA在淡水中穩(wěn)定，但可以在海水或者土壤中完全生物降解，并且降解速度較其他生物材料較快，對環(huán)境也沒有二次污染，可以代替諸多一次性產(chǎn)品的石油塑料作為大多數(shù)物品的包裝材料。

02

PHA的降解

PHA的最大的特點是，在堆肥、土壤、海水等幾乎所有環(huán)境中都可以被微生物分解，并且分解后的產(chǎn)物大多都是水和碳基，也不會污染環(huán)境。

這個發(fā)現(xiàn)在禁塑背景下使PHA在一次性塑料產(chǎn)品領(lǐng)域的呼聲漸起，也為一次性塑料替代產(chǎn)品提供了一種綠色可持續(xù)發(fā)展的思維。

PHA降解條件

注：此處用的生物基降解材料PHA：100%

①環(huán)境中含有能降解PHA的微生物，這些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在，但是在不同的環(huán)境所擁有的微生物活性及其群落數(shù)量有所不同，因此PHA的降解速度也有所區(qū)別。

②環(huán)境里擁有足夠多的水分、氧氣、礦物質(zhì)和葡萄糖等微生物存活所需要的養(yǎng)分，PHA可以作為微生物的碳源，被微生物攝取利用。微生物在分解消耗PHA時需要進(jìn)行呼吸運動，因此需要氧氣、水分和葡萄糖等提供呼吸運動的原料。

③對于不同類型的微生物及聚合物體系，需要提供一定的溫度條件（20℃～60℃）和一定pH值（5～8）。

一般認(rèn)為PHA的降解首先是在一定的條件下，各種附在培養(yǎng)基表面增殖的微生物釋放出特定的降解酶。在降解酶的催化作用下，聚合物分解成很小的分子段，當(dāng)聚合物分子量降到500g/mol以下時，就很容易被微生物吸收消化。

它的降解速度取決于酶的種類，數(shù)量和加入的添加劑等因素。如果不滿足上述的條件如在常規(guī)的環(huán)境下或在淡水中PHA是不會被降解的。

03

PHA合成關(guān)鍵點

PHA的生物合成主要分為三部分：主要微生物、主要基質(zhì)、PHA的代謝途徑與調(diào)控。主要的微生物有產(chǎn)堿桿菌、假單胞菌、甲基營養(yǎng)菌、固氮菌、紅螺菌等；主要基質(zhì)有糖質(zhì)碳源（葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等）、甲烷、氣體H2/CO2/O2、烷烴及其衍生物等。

04

微生物法合成PHA

PHA是由很多細(xì)菌合成的一種胞內(nèi)聚酯，在生物體內(nèi)主要是作為碳源和能源的貯藏性物質(zhì)。

與純菌種合成PHA相比，利用混合菌群合成PHA有很多優(yōu)點，例如在馴化過程中混合菌群的選擇基于生態(tài)原理，菌種穩(wěn)定，為PHA的工業(yè)化生產(chǎn)創(chuàng)造了前提；

混合菌種對工藝的適應(yīng)性強，工藝控制簡單，無需滅菌消毒提供純種環(huán)境，從而降低了工藝運行成本；混合菌種可以適應(yīng)多種不同底物，從而擴大底物的選擇范圍，為混合底物應(yīng)用于生產(chǎn)打下了良好的基礎(chǔ)。

混合菌群合成PHA的工藝主要有厭氧—好氧交替運行工藝、微氧—好氧工藝和好氧瞬時進(jìn)料工藝。

1）厭氧—好氧交替運行工藝

該工藝實際上為活性污泥工藝中的除磷工藝，PHA的積累與分解主要取決于厭氧—好氧系統(tǒng)中聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)的代謝活動。

在厭氧單元，活性污泥中的PAOs和GAOs分別水解細(xì)胞內(nèi)貯存的聚磷酸鹽和肝糖元，從而產(chǎn)生ATP形式的能量，同時攝取外界碳源合成PHA，進(jìn)而細(xì)胞內(nèi)的PHA含量增加。

在好氧單元，外界碳源濃度變低，ATP、NADPH以及細(xì)胞的前體物質(zhì)供應(yīng)不足，PAOs和GAOs便分解體內(nèi)的PHA，從而產(chǎn)生能量，并用于細(xì)胞、聚磷和糖元的合成，進(jìn)而細(xì)胞內(nèi)的PHA含量降低。

Iwamoto等研究了厭氧—好氧交替運行工藝下，活性污泥中的肝糖原對乙酸鹽(細(xì)菌培養(yǎng)底物)吸收的影響。研究結(jié)果表明，在厭氧條件下糖原的消耗、乙酸鹽的吸收與PHA的積累成比例，在后續(xù)的有氧條件下，積累的PHA耗盡，消耗的肝糖原恢復(fù)到與厭氧階段開始時的水平。

Jiang等研究了在厭氧—好氧交替運行工藝下，不同質(zhì)量比的丙酸和乙酸對PHA的厭氧和好氧轉(zhuǎn)化、組成和合成速率的影響。

研究結(jié)果表明，隨著丙酸與乙酸比值的增加，總PHA的厭氧產(chǎn)率由1g揮發(fā)性懸浮物(VSS)可得到4.226mmol下降到1gVSS可得到2.469mmol；PHA中3-羥基丁酸酯(3H)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由70％左右下降到10％，3-羥基戊酸酯(3HV)和3-羥基-2-甲基戊酸酯(3H2MV)的含量增加。

綜上所述，當(dāng)將富集的GAOs應(yīng)用于PHA的合成時，可以通過改變進(jìn)料組成來控制PHA的組成、產(chǎn)率和合成速率。

Zeng等研究了厭氧和好氧模式下GAOs和PAOs的代謝途徑。研究結(jié)果表明，在pH值為7時，厭氧階段的GAOs最大乙酸吸收速率比PAOs慢，好氧階段的GAOs每添加1tool乙酸乙酯生成的PHA質(zhì)量比PAOs高約9％。這表明PAOs和GAOs分別在厭氧—好氧過程的厭氧階段和好氧階段具有競爭優(yōu)勢。

從研究可以看出，厭氧—好氧工藝合成PHA的研究主要集中在有機酸的代謝機制上。在厭氧和好氧階段，GAOs和PAOs對底物(乙酸、丙酸等)的吸收速率不同，因此在不同階段形成PHA的質(zhì)量發(fā)生改變。

2）微氧—好氧工藝

微氧—好氧工藝是在厭氧—好氧工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而獲得的。在厭氧單元通入一定量的氧氣使之形成微氧環(huán)境，微生物通過氧化分解部分有機物來獲得能量來合成PHA。

給好氧單元供應(yīng)過量的氧氣，微生物會消耗體內(nèi)的PHA促進(jìn)細(xì)胞生長。PHA的積累—分解過程循環(huán)往復(fù)，進(jìn)而篩選出能積累PHA的微生物，提高PHA的合成率。

Blunt等研究了微氧工藝模式對惡臭假單胞菌LS46以脂肪酸為底物合成中鏈多羥基烷酸酯產(chǎn)率的影響。

結(jié)果表明，微氧環(huán)境會強烈地誘導(dǎo)脂肪酸合成mcl—PHA，并且可以控制氧轉(zhuǎn)移速率獲得更高的產(chǎn)率(PHA合成菌在生長不平衡的條件下更易積累PHA，氮為生長必需元素，當(dāng)?shù)拗茣r，會使PHA的產(chǎn)率提高)。

Amulya等研究了以廢水為底物生物時，微氧工藝和好氧工藝對合成聚羥基烷酸酯產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明，與好氧工藝下合成PHA的產(chǎn)量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34％)相比，微氧工藝能獲得更大的PHA產(chǎn)量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了56％(以PHA與干細(xì)胞質(zhì)量的比值計)。

上述研究表明與厭氧一好氧交替工藝和需氧工藝合成的PHA產(chǎn)量相比，微需氧工藝能獲得更大的PHA產(chǎn)量。

3）好氧瞬時進(jìn)料工藝

好氧瞬時進(jìn)料工藝是通過創(chuàng)造瞬變條件(如某種生長必需因子的匱乏，或者過剩的碳源)來完成的。

當(dāng)?shù)孜锕?yīng)呈現(xiàn)時而豐富時而匱乏的非平衡狀態(tài)時，污泥中的某些微生物能夠逐步適應(yīng)很高的碳源濃度，并且快速地將基質(zhì)吸收進(jìn)細(xì)胞內(nèi)，以一種平衡的狀態(tài)合成PHA。

當(dāng)?shù)孜镓S富時，PHA在微生物體內(nèi)貯存；當(dāng)?shù)孜飬T乏時，PHA則被分解以獲取能量和碳源維持細(xì)胞代謝。

Chen等研究了用新型三段連續(xù)進(jìn)料方式培養(yǎng)混合微生物(MMC)、高效積累PHA的方法。結(jié)果表明，在低生物量負(fù)荷率的連續(xù)進(jìn)料模式下，且以混合揮發(fā)性脂肪酸鹽為底物、pH值為5時，獲得最大胞內(nèi)PHA質(zhì)量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.4％)和PHA收率。

Chen等比較了有氧動態(tài)放電(ADD)模式和傳統(tǒng)的好氧動態(tài)進(jìn)料(ADF)模式篩選強PHA積累混合微生物的能力。結(jié)果表明，在ADD模式下PHA積累菌具有更好的PHA生產(chǎn)潛力，混合微生物積累的PHA最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)能達(dá)到(74.16士0.03)％，PHA收率能達(dá)1cmol的乙酸鹽生成(0.72+0.07)cmol的PHA。

Amulya等研究了通過好氧動態(tài)進(jìn)料方法提高生物塑料生產(chǎn)率的可持續(xù)多階段工藝，多階段工藝的階段I為食物廢棄物發(fā)酵產(chǎn)酸，階段II為PHA合成菌富集，階段III為PHA生產(chǎn)。

結(jié)果表明，II階段(16.3％的細(xì)胞干質(zhì)量；84％的VFA去除率)和III階段(23.7％的細(xì)胞干質(zhì)量；88％的VFA去除率)均獲得了較高的VFA去除率和PHA回收率，得到的PHA為PHB和PHV的共聚合物P(3HB—co一3HV)。

上述研究可以看出，好氧瞬時進(jìn)料工藝一般是可持續(xù)多階段工藝，主要的底物為揮發(fā)性脂肪酸鹽和食物廢棄物發(fā)酵產(chǎn)生的酸。PHA的合成產(chǎn)率因底物的不同而不同，積累的PHA最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)能達(dá)到74.16％左右。

4）其他工藝

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PHA材料的應(yīng)用

PHA的基本性能與聚丙烯相似，可在傳統(tǒng)塑料加工機械上進(jìn)行拉絲、模壓、熱注塑加工成型，可代替絕大部分石油基塑料原料，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保、生物化工、微電材料、能源、醫(yī)藥、醫(yī)用材料等領(lǐng)域。

目前我國擁有完整的PHA生產(chǎn)鏈的企業(yè)只有為數(shù)不多的幾家（北京微構(gòu)工場、北京藍(lán)晶生物、珠海麥得發(fā)、中糧生化、寧波天安生物、北京綠塑科技、意可曼等），PHA的產(chǎn)量還略有不足，生產(chǎn)成本也較塑料等材料較高，因此到現(xiàn)在PHA還沒有得到廣泛的應(yīng)用，只是在醫(yī)用方面有些許應(yīng)用。

還有很多的聚羥基脂肪酸的合成方式僅僅停留在實驗階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的要求，需要我國科學(xué)家繼續(xù)孜孜不倦的進(jìn)行探索與試驗