[精选]9生物可降解塑料的生产与应用 中国石油大学环境生物工程课件--资料
生物可降解塑料的研究与应用
生物可降解塑料的研究与应用随着环保意识的不断提高，越来越多的人开始重视生物可降解塑料，它是一种天然可分解的聚合物材料。
与传统石化塑料相比，生物可降解塑料具有良好的可降解性、可生物降解性、可循环利用性和可再生性等优点。
因此，其应用前景广阔，对于缓解环境问题、保护自然生态系统和实现可持续发展具有积极的意义。
一、生物可降解塑料的研究进展生物可降解塑料属于天然聚合物材料，主要包括淀粉类、聚乳酸类、聚己内酯类、纤维素类和蛋白质类等。
其中，淀粉类生物可降解塑料具有良好的可生物降解性和可再生性，可以通过将淀粉加工成淀粉纤维、淀粉块料、淀粉酯类塑料等形式进行应用。
聚乳酸类生物可降解塑料因其生产工艺简单、可重复利用和可生物降解等特点，也逐渐成为了材料领域的热点。
纤维素类生物可降解塑料属于天然聚合物材料，由于其来源丰富、可生物降解、改性容易等特点，常被用于生物医用材料和包装材料等方面的应用。
蛋白质类生物可降解塑料也受到了广泛的研究，其优点为成本低、申请专利较少、弹性较好等特点。
二、生物可降解塑料的应用现状生物可降解塑料在食品包装、医疗器械、土壤修复和纺织品等方面得到了较广泛的应用。
食品包装领域是生物可降解塑料应用的主要领域之一，淀粉类生物可降解塑料能够与石化塑料相媲美，具有良好的可操作性和加工性能。
在农业领域，生物可降解塑料非常适合用于果蔬保鲜、土壤改良和可重复利用性方面的应用。
医疗器械方面，生物可降解塑料因其可被生物分解吸收的性质受到了广泛研究，主要应用于骨内固定器和缝合线等方面的应用。
纺织品领域中，蛋白质类生物可降解纤维可被应用于衣服和内衣等方面。
三、生物可降解塑料的前景生物可降解塑料作为一种可持续发展的材料，具有广阔的应用前景。
国际上越来越多的国家对于环境问题的关注也越来越高，多数国家对于就地取材，保护环境、应用生物可降解塑料的政策倾向也在不断增加。
在未来的发展中，生物可降解塑料将会在运动装备及鞋类、家具、包装、日用品、教育用品、现代家居、食品和饮料等领域得到更多的应用，这对于环境保护和可持续发展具有重大意义。
生物可降解塑料PPT讲稿
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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)
3HV)或PHBV
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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。
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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)。
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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
录是多少？
• 一般发酵过程分为哪两个阶段？
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PHAs的应用
shampoo bottles
bicycle helmet
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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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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
可降解塑料的生物合成(共53张PPT)
骨用骼该代 方用法品具或有骨破等板胞，所产手得术产生后品无的P需纯H取度B出较V。高。、提以取速果度快糖等优为点碳。 源时，共聚物占细胞干重的47%。
PHB是仅有C、H和O元素组成的多聚物，在合成PHB所需的基质中，碳源的消耗量最大，所占发酵原料成本的比例也最大，因而，产物PHB
这些发现不仅给PHA生物合成和调节机制的研究增加了新的 对碳源的产率Yp/c，是影响PHB工业化规模生产的重要因素。
近年日本相继成立了生物降解塑料研究会、生物降解塑料
实用化检讨委员会，日本通产省已将生物降解塑料作为继 金属材料、无机材料、高分子材料之后的“第四类新材 料”。
欧洲Bhre-Eurae更是对生物降解塑料建立了完善的降 解评价体系。
生物降解塑料是指在自然环境下通过微生物的生命活动能 很快降解的高分子材料。按其降解特性可分为完全生物降解 塑料和生物破坏性塑料。按其来源则可分为天然高分子材料、 微生物合成材料、化学合成材料、掺混型材料等。
在众多的生物可降解材料中，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。其中，β-羟基丁酸（简称PHB）及3-羟基丁酸 与3-羟基戊酸的共聚物[简称P(3HB-co-3HV)或PHBV]是PHAs族 中研究和应用最广泛的两种多聚体。
聚β-羟基烷酸（PHAs）作为一种有光学活性的聚酯， 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、抗射性等外，更重要的是它还具有生物可降
济的碳源。
二、合成PHAs的主要基质
可用来工业化生产PHA的糖质碳源有葡萄糖、蔗糖、糖蜜、 淀粉等。
（1）葡萄糖 真养产碱杆菌野生株H16利用果糖积累PHB， 其利用葡萄糖的变异株已用于工业生产PHB。
生物可降解塑料的生产与应用
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第一节 聚β-羟基烷酸
• 普通塑料是以合成树脂为主的化学合成材 料。 ——难降解性 各国反应：限制使用某些塑料制品。
• 由此，可降解塑料就成为研究的热点。
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• 从中长期发展来看， 可从源头解决“白 色污染”问题的可 生物降解塑料，将 会越来越受到重视。
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五步合成途径
乙酰乙酰CoA ↓乙酰乙酰CoA还原酶
L（+）-3-羟丁酰CoA ↓烯酰基CoA水合酶
丁烯酰CoA ↓烯酰基CoA水合酶
D（-）-3-羟丁酰CoA
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三、PHAs的生产工艺 PHAs只在细胞内积累，要实现其最大生产，必
须做到： ① 尽可能提高细胞密度 ② 保证高的胞内积累量 ③ 缩短发酵周期以提高生产强度
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• 与传统的化学合成高分子材料相比，采用 生物，特别是微生物合成的高聚物具有的 特点如下： ① 工艺方法简单； ② 几乎无环境污染； ③ 产品具有生物可降解性和生物相容性； ④ 可进行结构调控。
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• 在众多生物可降解材料中，采用生物发酵 法生产的聚β-羟基烷酸 （PHAs）是应用环 境生物学方面的一个研究热点。
• 其中，聚β-羟基丁酸（PHB）及3-羟基丁酸 （3-HB）与3-羟基戊酸（3-HV）的共聚物 （PHBV）是研究和应用最广泛的两种多聚 体。
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一、PHAs的结构、物理化学性质和应用 PHAs——碳源和能源的贮存物。
R为取代基： 当R=甲基时，单体为β-羟基丁酸（HB）； 当R=乙基时，单体为β-羟基戊酸（HB）；
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生物可降解塑料的生产与应用中国石油大学环境生物工程20页PPT
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
生物可降解塑料的生产与应用中国石油大 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。 学环境生物工程
生物降解塑料ppt课件
第三章 生物降解塑料
物降解高分子材料经几个年的发展、已有一些高分子材料 形成商品，如表所示。以下对各类降解高分子材料作一简述。
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第三章 生物降解塑料
3.3.1 微生物合成的高分子
这种聚合物早在1925年由巴黎Pasteur研究所发现，之后 研究表明这种高分子量聚合物用于贮存能量。
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第三章 生物降解塑料
PLA是结晶的刚性聚合物，强度高，但耐水性差，容易水解。 Tg为58摄氏度，Tm是184摄氏度，可制成纤维、薄膜、 棒、螺栓、板和夹子。 乳酸与乙交酯或已内酰胺共聚可改善聚合物的机械性能， 这种共聚物可用在医学上，如缝线、移植等，也可用作食品包 装、纸涂层、快餐器具等。
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第三章 生物降解塑料
目前能使聚合物降解的酶主要是水解酶和氧化还原酶。 1）一般水解酶在细胞外，故适合于聚合物降解。 2）氧化还原酶则大多存在于细胞内，故不太适合于高分子 的初始降解。 一般加聚类聚合物不易发生生物降解反应，如聚烯烃、聚 苯乙烯、聚氯乙烯等都是耐生物降解的。试验结果表明， HDPE分子量在3000以下是可以生物降解的，LDPE分子量在 200以下是可以生物降解的、而PS分子量在600以下也不容易 生物降解。
可见除聚乳酸和聚乙烯醇外，聚合物的玻璃化温度Tg均低 于室温。
对聚合物来说，结晶可以提高材料的强度，但结晶度太高， 会使酶作用能力变差，主要是因为结晶品格限制分子运动，不 能使酶分子与聚合物很好地发生作用。
根据以上讨论，设计合成的生物降解高分子材料应该是脂 肪族极性物质，分子链柔性比较好，分子链间不交联。因此， 共聚或共混的方法是改进生物降解聚合物降解塑料
PHB是一种脆性的高度结晶的不稳定的材料，平均结晶度 80％，其熔点179摄氏度，玻璃化转变温度0～5摄氏度，密 度1.35g/cm3，热变形温度143摄氏度，上限工作湿度93摄 氏度。
生物降解塑料的发展与应用
生物降解塑料的发展与应用近年来，生物降解塑料作为一种环保新材料，受到了广泛的关注和应用。
本文将从生物降解塑料的定义与分类、发展历程以及应用领域三个方面进行探讨。
一、生物降解塑料的定义与分类1. 定义：生物降解塑料是一种可以被微生物分解并还原为自然界中存在的基本化合物，最终实现完全 degradation 的塑料材料。
2. 分类：生物降解塑料按照来源可以分为两类：一类是化学合成生物降解塑料，如聚羟基脂肪酸酯；另一类是天然生物降解塑料，如淀粉基生物降解塑料。
二、生物降解塑料的发展历程1. 形成初期：20世纪70-80年代，生物降解塑料的概念得到了提出，最早应用于农业领域的覆盖膜和农膜。
2. 技术突破：20世纪90年代，随着生物降解塑料制备技术的不断改进，新型的生物降解材料被广泛开发，逐渐渗透到包装、日用品等领域。
3. 工业化推广：21世纪初，生物降解塑料进入了工业化推广阶段，生产规模逐渐扩大，应用领域也不断拓展。
三、生物降解塑料的应用领域1. 包装行业：生物降解塑料在包装领域有着广泛的应用，如食品包装袋、餐具等。
这些塑料制品可以在使用一段时间后被自然界中的微生物降解，降低了塑料污染对环境的影响。
2. 农业领域：生物降解塑料在农业领域的应用也非常广泛，如地膜、育苗盘等。
这些生物降解塑料可以减轻传统农业塑料带来的土壤污染问题，对环境友好。
3. 医疗卫生领域：生物降解塑料在医疗卫生领域的应用也越来越多，如医用注射器、手术器械等。
这些塑料制品可以在使用后被完全降解，减少传统塑料对医疗废物处理的难题。
4. 生活用品：生物降解塑料还可以应用于生活用品制造，如一次性餐具、牙刷等。
这些产品的特点是使用方便，且在使用后能够迅速降解，减少塑料垃圾对环境的负面影响。
总结：生物降解塑料具有可再生、可降解、环保等特点，对解决塑料污染问题具有重要意义。
随着技术的不断进步，生物降解塑料的应用领域将进一步扩大。
未来，我们有理由相信，生物降解塑料将成为塑料产业发展的重要方向，为推动可持续发展做出重要贡献。
塑料降解ppt课件
• 大多数塑料的裂解两者兼而有之，属于中间型，但在合适 的温度、压力、催化剂条件下，能使其中某些特定数目链 长的产物大大增加，从而获得有一定经济价值的产物，如 汽油、柴油等。
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• 汽车工业的快速发展，生活水平的提高加快了人 们对软质聚氨酯制品(床、沙发垫等)的快速淘汰 ，越来越多的废旧软泡给我国造成的环境压力也 越渐明显。当然硬质聚氨酯塑料的问题也很不乐 观。生物降解将对塑料降解是一个既经济又环保 的方法，因此研究塑料的生物降解对人类而言将 是里程碑式的进展。
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塑料的生物降解
• 微生物产生的脂酶、蛋白酶、纤维素酶和木质素 酶降解活的生物或其死后的残体。现在普遍认为 光合作用是地球表面最重要的进化，它促使更多 的生物量产生，从而可以生物降解更多的分子。
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生活中观察到的生物降解现象
6
• 一、定义
塑料
• 塑料为合成的高分子化合物，又可称为高分 子或巨分子(macromolecules)，也是一般所 俗称的塑料(plastics)或树脂(resin)，可以自 由改变形体样式。是利用单体原料以合成或 缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填 料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加 剂组成的。
塑料的热解
• 废塑料热解是将已清楚杂质的塑料置于无氧或者低氧的密 封容器中加热，使其裂解为低分子化合物。
• 其基本原理是将塑料制品中的高聚物进行彻底的大分子裂 解，使其回到低分子量状态或单体态。按照大分子内键断 裂位置的不同，可将热解分为解聚反应型、随机裂解型和 中间型。
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• 解聚反应型塑料受热裂解时聚合物发生解离，生成单体， 主要切断了单分子之间的化学键。这类塑料有α-甲基苯乙 烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，它们几乎100％地裂解成单体 。
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解 钙(＜35％)降 塑 解塑料
COOH和-CO-，这些较小分子继续被 自由基攻击而进一步变小，随着分子 量降低，制品会迅速变脆，逐渐崩解
料 3生物可降
成小碎片、小颗粒，当其分子量降至 1000以下时易于被微生物食用而消化。 （弊端：需光照120d,填埋则失效）
解塑料
原理：碳酸钙中的（C＝O）光敏基团利于塑料
PHB含量可达细胞干 重70～80％
② 转基因植物生产 优势：植物自身光合作用制造大量免费合成原料 理想： 极大的降低成本，目前尚在开发之中
块
油
茎
料
块
种
根
子
植
植
物
物
(2) 应用领域
由于价格问题，应用限于高附加值领域。
Razor
Shampoo bottle Surgical sutures
光降解；同时有利于塑料充分焚烧；有利于中和
4 前3种的不 尾气中酸性组分（如SO2、NOx)；节约石油原料。
同掺混
（弊端：填埋则失效）
生物 可降 解塑 料
部分可降 解塑料
完全可降 解塑料
彻底消除 白色污染 并节约石 油资源的 根本出路
PE/淀粉
“/”掺混
普通塑料/PCL(聚己内酰胺)
国内பைடு நூலகம்水平
变性淀粉
是一种热塑性结 晶型聚酯 ,熔点 为80℃ ,可在 200℃以上加工 , 且与多种聚合物 有较好的相容性， 完全可生物降解。
变性
淀粉
掺混
9.5 国内可降解塑料生产现状
化工
合成
聚己
内酯
为主
具体共聚方法和参考相关资料
分解酶作用下，6~12个月变成乳酸，最终变成CO2和
H2O。
乳酸生物合成+人工聚合＝PLA
？ COOH 酸
脂化反应
H C OH 醇
乳酸单体彼此发生酯化反应
CH3
H3CH3OCH3CO OHH3C3CO O
乳酸
HO HOC OCC OCCH HOCO CCOC COHOH
聚乳酸乳(聚酸H丙二2交O聚脂体) n
共性：耐酸碱、抗氧化、耐腐蚀、难降解（埋地百 年也不烂）
环境问题：白色污染、 不可再生石油资源的浪费
该问题的解决出路—可降解塑料的开发
1光可降解 塑料
原理：受日光照射时，光敏剂（铁
钴镍铜等的络合物及芳香族化合物等）
吸收紫外线而分解放出活性自由基迅
可 降
2高填充碳酸
速攻击塑料大分子，聚合物被切断成 深圳绿维 多个较小分子同时被氧化生成-
乳酸 分离
乳酸 聚合
新技术 开发催 未公开！ 化剂
(2)世界聚乳酸生产进展
(3)聚乳酸的应用
由于目前价格较高， 但无生物排异现象， 故主要用于医学领域
伤口缝合线 骨折后“可降解钢板” 药物体内缓释胶囊 随着价格下降逐渐向
日化包装、食品包装、 农膜等领域发展。
9.2 聚β－羟基烷酸(PHAs)
天然淀粉
9.3 变性淀粉
详见有关文献
改性方法众多，生物 降解塑料领域主要使 用热塑性变性、抗水 性变性
方法：
热塑—加入多元醇、 水等增塑剂物理变性 或与丙烯酸酯共聚接 枝化学变性；
抗水—淀粉醋酸酯化
9.4 聚己内酯（PCL (ＣＯＯ—(ＣＨ2)5 ) ｎ ）
PCL由 ε-己内 酯经化学合成 开环聚合反应 而得
多种细菌体内合成的的碳 源、能量储备物
脂代谢—乙 酰辅酶A
R
O
O CH CH2 C
n
PHAs 通式
R为甲基~壬基等，不同单体聚合种类有100种以上 其中最常见的R为甲基，即聚β－羟基丁酸(PHB) 另一种常见的PHAs为PHBV（两种单体，R分别为
甲基(HB)和乙基(HV)）
(1)工业生产方式
细菌发酵
转基因植物种植
① 细菌发酵
以淀粉、葡萄糖、蔗糖、甲醇等各种原料，产碱菌 (Alcaligenes)、转基因大肠杆菌限氮磷流加式分批发酵 生产
成本高：15$/kg(合成塑料1 $/kg)
目前攻关方向：进一步提高原料
转化率，缩短发酵周期；进一步提 高细胞浓度；进一步提高产品提取 收率；进一步提高聚合物质量等。
第九章 生物可降解塑料的生产与应用
什么是塑料？
污染范围广、污染物增长速度快(积累2500 万吨/年)、处理难度大、回收利用不易
普通塑料是以合成树脂和配料混合加热而成的物质。
占96％以上
按其性质可分成热塑性树脂和热硬性树脂两大类 .热塑性树脂都 具有受热后软化的性质 ,如聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚苯乙烯 (PS)、和聚氯乙烯 (PVC) ；热硬性树脂在受热时不会变软 ,如酚 醛树脂 ,三聚氰胺甲醛树脂 ,聚氨基甲酸乙脂等。
(1)聚乳酸生物合成
生物糖代谢酵解产物丙酮酸乳酸发酵的产物（参阅《生
物化学》糖代谢内容）
工业上一般以乳酸杆菌(lactobacillus)属发酵生产乳酸
酸奶
酸菜 保健品
降低乳酸生产成本是关键！
如何做呢？ 培养
菌种选育
诱变、基 因改造出 高产乳酸
菌
1.廉价原料 如食品废料 或玉米淀粉
2.最佳反应 条件及反应 器选型
淀粉/PVA(聚乙烯醇) 自然成分 淀粉/ PCL
壳聚糖/ 纤维素
纯发酵
PHAs(聚β－羟基烷酸) 细菌产纤维素
发酵+合成 PLA(聚乳酸)
化学合成 PCL－PEL (脂肪族聚脂)
9.1 聚乳酸(PLA)
聚乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解塑料之
一。聚乳酸塑料在土壤掩埋3~6个月破碎，在微生物