微生物聚羥基脂肪酸

1、<p>　　生物基完全可生物降解材料—聚羥基脂肪酸酯(PHA)的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化</p><p><b>　　陳國強</b></p><p>　　(清華大學(xué)生物系，北京)</p><p><b>　　PHA 材料簡介</b></p><p>　　聚羥基脂肪酸酯（Polyhydroxyalkan

2、oates簡稱PHA）,是微生物作為碳源和能源儲備物來合成的，一般以內(nèi)含體的形式存在于微生物細胞體內(nèi)。由于PHA具有不同的單體結(jié)構(gòu)，因此其種類繁多。既有由短鏈單體組成的PHA也有由中長鏈單體組成的PHA，還有由不同種類單體組成的共聚物。</p><p>　　PHA是一個包含多種聚酯的生物高分子材料家族，作為一種熱塑性材料，同時在無需堆肥的情況下，3～6個月之內(nèi)在自然環(huán)境下即可完全分解為二氧化碳和水。可以作為生物材

3、料應(yīng)用也日趨成熟,已經(jīng)形成了一個產(chǎn)業(yè)鏈。國內(nèi)外相繼建立了與PHA大規(guī)模生產(chǎn)相關(guān)的二十幾家公司。PHA和相關(guān)技術(shù)正在形成了一個從發(fā)酵，材料，能源到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的工業(yè)價值鏈。很可喜的是，在國內(nèi)各級機構(gòu)支持下，我國在PHA研究的各個領(lǐng)域近年來取得了跨越式的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也得到大力發(fā)展。2010年將是PHA產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的年份。</p><p>　　PHA正在形成一個從發(fā)酵、生物醫(yī)學(xué)材料、醫(yī)藥、生物燃料、飼料到塑料的產(chǎn)業(yè)鏈<

4、;/p><p><b>　　PHA 材料應(yīng)用</b></p><p>　　基于其特殊的聚合物性能，不同結(jié)構(gòu)和性能的PHA已作為生物塑料，纖維，生物醫(yī)學(xué)植入材料及藥物緩釋載體等，并被廣泛地研究。</p><p>　　最初，PHA被德國的Wella AG公司用于制作日常用品及包裝材料。PHA也被P&G, Biomers, Metabolix及其

5、它的一些公司開發(fā)為包裝膜，主要用于購物袋，集裝箱和紙張涂料和一次性的用品例如剃面刀，器皿，尿布，女性衛(wèi)生產(chǎn)品，化妝品容器和杯子及醫(yī)療器械手術(shù)服，家居裝飾材料，地毯，包裝袋和堆肥袋等。北京化工大學(xué)、汕頭大學(xué)與天津國韻公司合作，開發(fā)了許多PHA的類似應(yīng)用。</p><p>　　PHA作為醫(yī)用材料在縫線，修復(fù)裝置，維修補丁，繃帶，心血管補丁，骨科針，防粘連膜，支架，引導(dǎo)組織修復(fù)/再生設(shè)備，關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)支架，神經(jīng)導(dǎo)管，肌

6、腱修復(fù)裝置，脊髓支架，人造食道及傷口敷料等方面的應(yīng)用已被廣泛的研究。近期研究顯示，PHBHHx因其良好的壓電性而被成功的用于促進骨骼再生，PHBHHx也成功地被清華大學(xué)和北京天助公司用于神經(jīng)損傷的修復(fù)和人工血管應(yīng)用。</p><p>　　Shishatskaya等人發(fā)現(xiàn)，在長于一年的試驗期中，PHB和PHBV單纖維縫合沒有造成植入?yún)^(qū)的任何體內(nèi)任何不良反應(yīng)。在對于PHBHHx的研究中北京的研發(fā)人員也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象

7、。PHBHHx的最重要的性質(zhì)之一作為植入生物材料是無毒，無免疫刺激特性而且其降解產(chǎn)物包括單體和低聚物，甚至激活鈣離子通道并促進受損組織再生。</p><p>　　P4HB被成功的批準為植入生物材料，更多PHA生物材料將很快進入臨床試驗。因為PHA材料的多樣性，人們可以期望PHA成為一個具有豐富用途的生物植入材料家族。</p><p>　　PHA在藥物控制釋放方面的應(yīng)用的研究很多。由于現(xiàn)有的

8、緩釋給藥產(chǎn)品，乳酸和乙醇酸的均聚物PLA和PGA和共聚物PLGA乙醇酸共聚合物，通過快速水解而降解。因此，不能完全實現(xiàn)長效的控制藥物釋放。在90年代初期，由于其生物降解性，生物相容性和表面侵蝕性降解，PHA成為制作藥物載體候選材料。迄今為止，國內(nèi)外研究者在藥物控制釋放的應(yīng)用上只對PHB和PHBV進行了研究。預(yù)計具有不同特性的其他的PHA家庭成員將有更多的控制藥物釋放特性。這仍然是一個有待開發(fā)的領(lǐng)域。</p><p&g

9、t;<b>　　PHA 材料產(chǎn)業(yè)化</b></p><p>　　從1980年開始，因預(yù)計石油因其耗盡而導(dǎo)致漲價以及人們可能更傾向于使用環(huán)境友好型的非石化的塑料，即生物可降解塑料，綠色塑料或是生態(tài)塑料，很多公司，特別是國內(nèi)的許多中小型企業(yè)，嘗試實驗性或是工業(yè)化的生產(chǎn)各種PHA。美國的Metabolix公司和天津的國韻生物材料公司將從2009年起每年分別生產(chǎn)50,000和10,000噸PHA。屆

10、時，全球的聚合物公司將有足夠的PHA材料供研究使用，有望出現(xiàn)聚焦于PHA新材料應(yīng)用的發(fā)展新潮流。同時由PHBV材料制成的產(chǎn)品已經(jīng)在歐洲市場銷售。</p><p>　　PHA大規(guī)模的供給也可促進它作為一種具有穩(wěn)定性能的新塑料的發(fā)展。從長遠看來，PHA的生產(chǎn)成本會不斷地降低。主要是因為PHA的合成是在水相里完成的，微生物可以利用任何碳源來進行發(fā)酵生產(chǎn)PHA。同時，不像PLA和PBS等生物塑料，PHA的聚合完全是個生物

11、過程，聚合分子量很高，性能多樣，應(yīng)用也多樣，使PHA具有更好的市場前景。</p><p>　　世界范圍內(nèi)從事PHA生產(chǎn)和研究的公司</p><p>　　迄今為止，數(shù)種PHA，包括聚-3-羥基丁酸酯（PHB）、3-羥基丁酸和3-羥基戊酸共聚物（PHBV）、3-羥基丁酸和4-羥基丁酸共聚物（P3HB4HB）、3-羥基丁酸和3-羥基己酸共聚物（PHBHHx）及中長鏈PHA（mcl PHA）均實現(xiàn)

12、了大規(guī)模生產(chǎn) 。</p><p>　　PHA的生產(chǎn)包括菌種復(fù)蘇，搖瓶優(yōu)化，初級發(fā)酵實驗及工廠級放大發(fā)酵。PHA的有效微生物生產(chǎn)取決于幾個因素，包括最終細胞密度，細菌生長速率，PHA在細胞干重中的百分比，達到最高細胞密度所需要的時間，底物和產(chǎn)物間的轉(zhuǎn)化效率。底物價格及提純PHA的方法。在PHA生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)不同階段，必須考慮以上的因素。通過不斷的優(yōu)化工藝，保證PHA生產(chǎn)成本必須足夠低，才能使PHA更為廣泛的市場應(yīng)用

13、。</p><p>　　此外，針對于特定的用途，PHA還應(yīng)該有合適的性能，這些性能包括合適的分子量，由單體結(jié)構(gòu)和組成及PHA生產(chǎn)條件共同決定的機械和熱力學(xué)性能等?；蚬こ?，分子進化，合成生物學(xué)及PHA生產(chǎn)條件操控等技術(shù)被大量地應(yīng)用于生產(chǎn)具有特異結(jié)構(gòu)和超高分子量的PHA。</p><p>　　PHA材料的市場前景</p><p>　　PHA材料多樣的品種和結(jié)構(gòu)，使其具