关于生物可降解塑料课件
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聚合物命名
R为甲基时，其聚合物为聚β--羟基丁酸(PHB) R为乙基时，其聚合物为聚β--羟基戊酸(PHV) 在一定条件下两种或两种以上的单体还能形成共聚物，
其典型代表是3HB和3HV组成的共聚物P(3HB-co-3HV)。
13
PHAs的结构、物理化学性质
每个PHAs颗粒含有数千条多聚体链。这些多聚物的物 理化学性质和机械性能如韧度、脆性、溶点、玻璃态 温度和抗溶剂性等与单体的组成有极大的关系。 ➢ 例如PHBV共聚物中β－羟基戊酸组分的增加可使熔 点 从 180℃(PHB 均 聚 物 ) 降 至 75℃(PHBV 共 聚 物 中 HV组分的摩尔分数为30~40%) 。 HV -β--羟基戊酸
则是高弹体，且其生物降解的速度比均聚PHB或PHBV更
快。
HB -β--羟基丁酸
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PHB的工业化应用主要存在两个缺点
PHB较差的熔化稳定性，其分解温度约为200 ℃，该温 度与其熔点相近(约175 ℃)； ➢ 可通过在发酵过程中加入3HV的前体合成PHBV共 聚体或将PHB与其它多聚物相混合使用来解决；
PHAs的通式可写成：
R
O
___O__CH__CH2__C___n
单体数目
11
R多为不同链长正烷基，也可以是支链的、不 饱和的或带取代基的烷基
➢ R为甲基时，单体为β--羟基丁酸(HB)； ➢ R为乙基时，单体为β--羟基戊酸(HV)； ➢ R为丙基时，单体为β--羟基已酸(HC)； ➢ R为丁基时，单体为β--羟基庚酸(HH)； ➢ R为戊基时，单体为β--羟基辛酸(HO)； ➢ R为已基时，单体为β--羟基壬酸(HN)； ➢ R为庚基时，单体为β--羟基癸酸(HD)； ➢ R为辛基时，单体为β--羟基十一酸(HUD)； ➢ R为壬基时，单体为β--羟基十二酸(HDD)；
巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium)分离鉴定。
阐明该菌形成芽孢时产生PHB。 20世纪50年代，发现PHB的生成量随培养基中
15
16
PHAs的结构、物理化学性质-续
PHB较脆和发硬，但可通过与适量HV共聚而补偿。
随着PHBV中HV组分的增加，聚合物的劲度降低而韧性 增加，且共聚物的熔点随着HV组分的增加而降低，使得 较易对其进行热加工处理。 HV -β--羟基戊酸
单体4HB的聚合物或3HB与4HB的共聚物P(3HB-co-4HB)
7
生物可降解塑料的特点
工艺简单 生产过程污染轻 生物可降解性和生物可相容性 可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境
条件
8
第二节、PHAs的生物合成与应用
采用微生物发酵法生产的聚-β-羟基烷酸(简称PHAs)， 成为应用环境生物学方面的一个研究的热点 ➢ 聚-β-羟基丁酸——PHB ➢ 3-羟基丁酸与3-羟基戊酸的共聚物 ——P(3HB-co3HV)或PHBV
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PHAs的应用
shampoo bottles
bicycle helmet
20
二、PHAs的生物合成
合成PHAs的主要微生物 合成PHAs的主要基质 PHAs的代谢途径与调控
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Biblioteka Baidu
PHAs的生物合成
一 合成PHAs的主要微生物 1 PHAs的发现及形成机制
PHB最初由 Lemoigne于1925年首先发现。从
成分为合成树脂 (1)污染范围广 (2)污染物增长量快。
➢ 全世界每年对塑料的需求量为1亿吨。 ➢ 美国专家估计每10年产量将增加1倍。 ➢ 1995年我国的塑料需求量为600万吨，其中对环境有威
胁的地膜为88万吨，包装用品为150-200万吨。 ➢ 美国、日本的塑料垃圾占垃圾总量的7%。
3
普通塑料对环境污染的特点-续
在环境条件下贮存数日后，PHB易发脆。 ➢ PHB的老化问题可通过简单的淬火处理来较大程度 地解决。
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思考题
含有PHAs的微生物能通过什么染料鉴别？ 能利用糖蜜生产PHB的最有效菌株是什么？ 工业生产PHAs的微生物菌种需要考虑哪些因素？ 目前报道利用葡萄糖基质生产PHB的最高记录是
多少？ 一般发酵过程分为哪两个阶段？
关于生物可降解塑料
1
第一节 塑料废物污染和可降解塑料
二十世纪七十年代以来塑料工业得到迅猛的发展，无论 是工业、农业、建筑业，还是人们的日常生活无不与塑 料密切相关。
化学合成塑料在自然环境中很难分解，亦不会被腐蚀， 燃烧处理又会产生有害气体，塑料垃圾对环境造成了巨 大的危害。
2
普通塑料对环境污染的特点
(3) 处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的 特性，埋地处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体， 如HCl、SOx、CO等。
4
普通塑料对环境污染的特点
(4)回收利用难。塑料制品种类多，填料、颜料多样，难以 分拣回收再利用。
(5)生态环境危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小， 抗病力差。
5
生物可降解塑料
研究和开发生物可降解塑料已迫在眉捷 用可生物降解塑料代替部分石油化工合成塑料，禁用
某些塑料制品 ➢ 如意大利已立法规定自1991年起所有包装用塑料都
必须生物可降解，我国也已开始考虑禁用塑料方便 餐盒等不可降解的塑料制品。
6
国内外出现的生物可降解塑料
PCL-聚已内酰胺;PVA-聚乙烯醇;PE-聚乙烯
9
PHAs
PHAs除具有高分子化合物的基本特性，如质轻、 弹性、可塑性、耐磨性、抗射线等外，还具有生 物可降解性和生物可相容性。
PHAs 原 料
９个月
降
香波瓶
解
合成塑料
100年
10
一、PHAs的结构、物理化学性质和应用
多种微生物在一定条件下能在胞内积累PHAs作为碳源和 能源的贮存物。
由于PHAs具有低溶解性和高分子量，它在胞内的积累不 会引起渗透压的增加，是理想的胞内贮藏物，比糖原、 多聚磷酸或脂肪更加普遍地存在于微生物中。
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PHAs的结构、物理化学性质-续
大多数有关细菌PHAs的物化性质的研究是针对PHB和 PHBV两种聚合物进行的。
PHB是高度结晶的晶体，结晶度的范围在55－80%， 其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯(PP)很相似， 例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而比 重大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、 阻湿性等则是PHB的优点，见表7-2-1。
聚合物命名
R为甲基时，其聚合物为聚β--羟基丁酸(PHB) R为乙基时，其聚合物为聚β--羟基戊酸(PHV) 在一定条件下两种或两种以上的单体还能形成共聚物，
其典型代表是3HB和3HV组成的共聚物P(3HB-co-3HV)。
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PHAs的结构、物理化学性质
每个PHAs颗粒含有数千条多聚体链。这些多聚物的物 理化学性质和机械性能如韧度、脆性、溶点、玻璃态 温度和抗溶剂性等与单体的组成有极大的关系。 ➢ 例如PHBV共聚物中β－羟基戊酸组分的增加可使熔 点 从 180℃(PHB 均 聚 物 ) 降 至 75℃(PHBV 共 聚 物 中 HV组分的摩尔分数为30~40%) 。 HV -β--羟基戊酸
则是高弹体，且其生物降解的速度比均聚PHB或PHBV更
快。
HB -β--羟基丁酸
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PHB的工业化应用主要存在两个缺点
PHB较差的熔化稳定性，其分解温度约为200 ℃，该温 度与其熔点相近(约175 ℃)； ➢ 可通过在发酵过程中加入3HV的前体合成PHBV共 聚体或将PHB与其它多聚物相混合使用来解决；
PHAs的通式可写成：
R
O
___O__CH__CH2__C___n
单体数目
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R多为不同链长正烷基，也可以是支链的、不 饱和的或带取代基的烷基
➢ R为甲基时，单体为β--羟基丁酸(HB)； ➢ R为乙基时，单体为β--羟基戊酸(HV)； ➢ R为丙基时，单体为β--羟基已酸(HC)； ➢ R为丁基时，单体为β--羟基庚酸(HH)； ➢ R为戊基时，单体为β--羟基辛酸(HO)； ➢ R为已基时，单体为β--羟基壬酸(HN)； ➢ R为庚基时，单体为β--羟基癸酸(HD)； ➢ R为辛基时，单体为β--羟基十一酸(HUD)； ➢ R为壬基时，单体为β--羟基十二酸(HDD)；
巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium)分离鉴定。
阐明该菌形成芽孢时产生PHB。 20世纪50年代，发现PHB的生成量随培养基中
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PHAs的结构、物理化学性质-续
PHB较脆和发硬，但可通过与适量HV共聚而补偿。
随着PHBV中HV组分的增加，聚合物的劲度降低而韧性 增加，且共聚物的熔点随着HV组分的增加而降低，使得 较易对其进行热加工处理。 HV -β--羟基戊酸
单体4HB的聚合物或3HB与4HB的共聚物P(3HB-co-4HB)
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生物可降解塑料的特点
工艺简单 生产过程污染轻 生物可降解性和生物可相容性 可进行高分子材料的结构调整：控制营养、环境
条件
8
第二节、PHAs的生物合成与应用
采用微生物发酵法生产的聚-β-羟基烷酸(简称PHAs)， 成为应用环境生物学方面的一个研究的热点 ➢ 聚-β-羟基丁酸——PHB ➢ 3-羟基丁酸与3-羟基戊酸的共聚物 ——P(3HB-co3HV)或PHBV
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PHAs的应用
shampoo bottles
bicycle helmet
20
二、PHAs的生物合成
合成PHAs的主要微生物 合成PHAs的主要基质 PHAs的代谢途径与调控
21
Biblioteka Baidu
PHAs的生物合成
一 合成PHAs的主要微生物 1 PHAs的发现及形成机制
PHB最初由 Lemoigne于1925年首先发现。从
成分为合成树脂 (1)污染范围广 (2)污染物增长量快。
➢ 全世界每年对塑料的需求量为1亿吨。 ➢ 美国专家估计每10年产量将增加1倍。 ➢ 1995年我国的塑料需求量为600万吨，其中对环境有威
胁的地膜为88万吨，包装用品为150-200万吨。 ➢ 美国、日本的塑料垃圾占垃圾总量的7%。
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普通塑料对环境污染的特点-续
在环境条件下贮存数日后，PHB易发脆。 ➢ PHB的老化问题可通过简单的淬火处理来较大程度 地解决。
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思考题
含有PHAs的微生物能通过什么染料鉴别？ 能利用糖蜜生产PHB的最有效菌株是什么？ 工业生产PHAs的微生物菌种需要考虑哪些因素？ 目前报道利用葡萄糖基质生产PHB的最高记录是
多少？ 一般发酵过程分为哪两个阶段？
关于生物可降解塑料
1
第一节 塑料废物污染和可降解塑料
二十世纪七十年代以来塑料工业得到迅猛的发展，无论 是工业、农业、建筑业，还是人们的日常生活无不与塑 料密切相关。
化学合成塑料在自然环境中很难分解，亦不会被腐蚀， 燃烧处理又会产生有害气体，塑料垃圾对环境造成了巨 大的危害。
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普通塑料对环境污染的特点
(3) 处理难。塑料具有耐酸碱、抗氧化、难腐蚀、难降解的 特性，埋地处理百年不烂；燃烧时产生大量有毒气体， 如HCl、SOx、CO等。
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普通塑料对环境污染的特点
(4)回收利用难。塑料制品种类多，填料、颜料多样，难以 分拣回收再利用。
(5)生态环境危害大。地膜降低耕地质量，农作物植株矮小， 抗病力差。
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生物可降解塑料
研究和开发生物可降解塑料已迫在眉捷 用可生物降解塑料代替部分石油化工合成塑料，禁用
某些塑料制品 ➢ 如意大利已立法规定自1991年起所有包装用塑料都
必须生物可降解，我国也已开始考虑禁用塑料方便 餐盒等不可降解的塑料制品。
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国内外出现的生物可降解塑料
PCL-聚已内酰胺;PVA-聚乙烯醇;PE-聚乙烯
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PHAs
PHAs除具有高分子化合物的基本特性，如质轻、 弹性、可塑性、耐磨性、抗射线等外，还具有生 物可降解性和生物可相容性。
PHAs 原 料
９个月
降
香波瓶
解
合成塑料
100年
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一、PHAs的结构、物理化学性质和应用
多种微生物在一定条件下能在胞内积累PHAs作为碳源和 能源的贮存物。
由于PHAs具有低溶解性和高分子量，它在胞内的积累不 会引起渗透压的增加，是理想的胞内贮藏物，比糖原、 多聚磷酸或脂肪更加普遍地存在于微生物中。
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PHAs的结构、物理化学性质-续
大多数有关细菌PHAs的物化性质的研究是针对PHB和 PHBV两种聚合物进行的。
PHB是高度结晶的晶体，结晶度的范围在55－80%， 其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯(PP)很相似， 例如熔点、玻璃态温度、结晶度、抗张强度等，而比 重大、透氧率低和抗紫外线照射以及具有光学活性、 阻湿性等则是PHB的优点，见表7-2-1。