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)的應用及產業(yè)化</p><p><b>　　陳國強</b></p><p>　　(清華大學生物系，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，一般以內含體的形式存在于微生物細胞體內。由于PHA具有不同的單體結構，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、料應用也日趨成熟,已經形成了一個產業(yè)鏈。國內外相繼建立了與PHA大規(guī)模生產相關的二十幾家公司。PHA和相關技術正在形成了一個從發(fā)酵，材料，能源到醫(yī)學領域的工業(yè)價值鏈。很可喜的是，在國內各級機構支持下，我國在PHA研究的各個領域近年來取得了跨越式的發(fā)展，相關產業(yè)也得到大力發(fā)展。2010年將是PHA產業(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)學材料、醫(yī)藥、生物燃料、飼料到塑料的產業(yè)鏈<

4、;/p><p><b>　　PHA 材料應用</b></p><p>　　基于其特殊的聚合物性能，不同結構和性能的PHA已作為生物塑料，纖維，生物醫(yī)學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)生產品，化妝品容器和杯子及醫(yī)療器械手術服，家居裝飾材料，地毯，包裝袋和堆肥袋等。北京化工大學、汕頭大學與天津國韻公司合作，開發(fā)了許多PHA的類似應用。</p><p>　　PHA作為醫(yī)用材料在縫線，修復裝置，維修補丁，繃帶，心血管補丁，骨科針，防粘連膜，支架，引導組織修復/再生設備，關節(jié)軟骨修復支架，神經導管，肌

6、腱修復裝置，脊髓支架，人造食道及傷口敷料等方面的應用已被廣泛的研究。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和北京天助公司用于神經損傷的修復和人工血管應用。</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區(qū)的任何體內任何不良反應。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用的研究很多。由于現(xiàn)有的

8、緩釋給藥產品，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，國內外研究者在藥物控制釋放的應用上只對PHB和PHBV進行了研究。預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)的領域。</p><p&g

9、t;<b>　　PHA 材料產業(yè)化</b></p><p>　　從1980年開始，因預計石油因其耗盡而導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，特別是國內的許多中小型企業(yè)，嘗試實驗性或是工業(yè)化的生產各種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新材料應用的發(fā)展新潮流。同時由PHBV材料制成的產品已經在歐洲市場銷售。</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，應用也多樣，使PHA具有更好的市場前景。</p><p>　　世界范圍內從事PHA生產和研究的公司</p><p>　　迄今為止，數種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 。</p><p>　　PHA的生產包括菌種復蘇，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，底物和產物間的轉化效率。底物價格及提純PHA的方法。在PHA生產技術的開發(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生產成本必須足夠低，才能使PHA更為廣泛的市場應用

13、。</p><p>　　此外，針對于特定的用途，PHA還應該有合適的性能，這些性能包括合適的分子量，由單體結構和組成及PHA生產條件共同決定的機械和熱力學性能等?；蚬こ蹋肿舆M化，合成生物學及PHA生產條件操控等技術被大量地應用于生產具有特異結構和超高分子量的PHA。</p><p>　　PHA材料的市場前景</p><p>　　PHA材料多樣的品種和結構，使其具