生物可降解塑料--PHA 的工程化开发和工业化生产
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| 生物可降解塑料--PHA 的工程化开发和工业化生产 |
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作者：清华大学 转贴自：本站原创 点击数：63 更新时间：2006/12/16 文章录入：夏晶晶
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1 成果简介
伴随石油化工的发展，合成塑料及其制品产量与日俱增，世界的年产量已达一亿吨。塑料制品的独特优点，已使它与人们的生活和生产密不可分。但是大量不可降解塑料的废弃已造成愈来愈严重的“白色污染”， 日益威胁着人类赖以生存的环境。发展可生物降解的塑料已成为当务之急。目前采用生物技术生产的生物可完全降解的塑料中，研究得比较多的有两类：聚乳酸(PLA)和聚羟基烷酸酯(PUA)。尤其后者的物化
性能与聚丙烯相近，还具有生物相容性、光学活性，压电效应、低透气性、抗紫外线和抗凝血性等许多独特的优点，使其更受青睐。
在PHA中研究得最多的是PHB(聚羟基丁酸酯)，已发现它作为储能物质存在于多种微生物中，其积累量可达细胞干重的80％以上，英国ICI 公司等已投入工业化生产，年产量在1000 吨以上。目前，影响其大规模生产和应用的主要障碍一是价格较高，为一般工程塑料的8-10 倍，为了降低其生产成本，各国研究人员正在作不懈的努力；二是高附加值产品的开发和应用，目前正在开发中。
此类产品目前国内尚无大规模生产，随着环保问题的日趋严重、人们环保意识的加强、环保立法措施的完善和不可降解塑料应用的限制，这种可生物降解塑料的应用和发展前景十分看好。
本技术已进行了八年多的研究，已通过国家“九五”重点攻关项目的验收。是通过基因工程技术，发展了一种低成本生产PHB的技术路线，该技术已达到国际领先水平，并获得了国家专利。
该技术利用现代生物技术——基因工程的手段，构建成功了一株具有多功能的基因工程大肠杆菌新菌株VGl(pTUl4)，该菌株具有一个含有可生物降解塑料一聚-β-羟基丁酸酯(PHB)的合成基因(／phbCAB)、可诱导裂解细胞的丸噬菌体裂解基因(SRRz)和卡那霉素抗性基因的质粒，并把能提高菌体氧利用能力的透明颤菌合成血红蛋白基因(vgb)克隆在菌体的染色体中。并以检测的溶氧值和pH 值为控制信号，采用流加批
式培养技术，在优化的发酵条件下达到菌体的高密度和高表达培养。
在应用方面，也开发了多项应用前景良好的技术，如用于药物的控制释放、骨科康复材料、细胞和组织工程材料，食品包装材料、一次性餐具和用具等等，已具有良好的工作基础。新的应用领域和PHB 合金的研究工作正在进行中。
2 技术指标
(1) 菌株可利用廉价的淀粉水解糖为碳源，废啤酒酵母的自溶液为氮源及无机盐作为培养基，从而降低了原料成本。不仅能高效表达phbCAB 基因，而且由于vgb 基因能够合成透明颤菌血蛋白(VHb)，提高了菌体的摄氧能力和耐低溶氧的能力，不需要通富氧或纯氧就可实现高密度培养。通过分批流加培养60 小时，发酵液的菌体浓度可达216S(干重)/L，PHB 在菌体内的积累量达细胞干重的90％，即发酵液中PUB浓度为194sPUB/L，PHB生产强度达3.28 PHB／hr，PHB收率为0.44S PHB／S还原糖．此技术指标为世界领先水平。
(2) 利用裂解基因可控诱导细胞裂解，释放出胞内的PHB。尤其在发酵后期，菌体中PHB的含量已经高达90%，细胞大部分已经胀破，因此只要稍加温至40-42℃，并保温1 小时，就可以使细胞全部裂解，使细胞破碎的工艺变得十分简单。故不用加入任何试剂，不仅降低了后处理成本，而且有利于PHB 的进一步纯化。经以上的加温处理后，用离心机离心和洗涤PHB沉淀物：即得PHB的产品，并达到以下的技术指标：聚合物收率：≥90％，PHB 纯度：≥95U。
(3) 高效率的发酵工艺和低成本的分离技术使本工艺的生产成本大大降低，估计生产成本可降低为一般工程塑料的4-5倍，即PHB的生产成本为50元人民币／公斤(约6 美元／公斤)，甚至更低，而国际上该产品的价格15-20 美元／公斤。因此，即使本产品售价10 美元／公斤，在国际市场上仍具有一定的竞争力。
(4) 如果将本工艺生产的PUB和其他可生物降解的材料共混，制成机械性能良好、易于加工成型、可以吹塑成膜、价格更加便宜的塑料合金的母粒料，将具有更加广阔的应用市场。
与国内外同类技术的比较、与目前发表的论文和得到的资料相比较，无论高密度发酵的水平，高的PHB，收率和低的生产成本都达到了国内外同类技术的领先水平。应用技术方面也有我们自己的特色，达到国内领先水平。
3 应用说明
此产品的应用领域广阔，由于其可生物降解性，可用作一次性塑料制品，包装材料，对消除“白色污染”具有重大意义。同时，由于具有良好的生物相容性，在医学上可用作外科手术缝合线，骨科固定支架(植入体内的固定骨钉，夹板等)，医用包扎材料、止血塞、医用薄膜、外科手套涂粉等。在药学上可用作药物控制释放体系的载体，用于抗癌药、避孕药等的长效控制释放。它还具有压电性，可制作各种压电制品，如：压力传感器、点火器、声学仪器、震荡发生器、挟能元件等。
但当前石化塑料的价格约1-2 美元／公斤，仍大大低于目前可生物降解塑料的价格，因此对PHB的大规模生产和推广应用造成很大的压力。为此，应当根据可生物降解性、生物相容性、光学特性等特点，加强开发其特殊的用途，尤其是高附加值产品的开发。
4 效益分析
本成果的技术指标先进，但目前仅完成了小试研究，获得了相关的工艺数据和技术资料，为进一步扩大试验做了准备。为了实现产业化，还必须进行中试，在此基础上才可以作出比较精确的技术经济分析。
产业化的规模可从小到大，逐步发展。按年产1000 吨PHB的规模估算，生产装置的固定资产投资约5000 万元人民币。生产成本5 美元／公斤，管理成本1 美元／公斤，产品售价定为10 美元／公斤，则利税4 美元／公斤，年利税可达400 万美元／年，折合为3400 万元人民币／年，纯利可达2500 万元人民币／年以上，预计3-4 年可以偿还全部投资。因此是一项高利润回报率的高新技术产业。
可生物降解塑料的社会效益是不言而喻的，随着环保问题的日趋严重。人们环保意识的加强、环保立法措施的完善和不可降解塑料应用的限制，这种可生物降解塑料应用的意义就更加重大。
5 合作方式
目前正在寻求合作和投资者，共同进行PHB 的工程开发研究，通过系统的中试实验，解决各种工程实际问题，将此项技术推向工业化。并在此基础上，研究具有良好机械加工性能以及具有良好弹性的PHA 塑料合金，进一步开拓可降解塑料的品种及用途，发展新一代的适用于多种用途的可生物降解的工程塑料，建立生物高新技术产业。
6 联系方式
清华大学科技开发部。 |
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