生物合成主题知识讲座公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

细菌合成细菌合成聚羟基烷酸聚羟基烷酸PHA第1页第1页一、聚羟基烷酸（PHAs）综述定义：由100-30000个相同或不同羟基脂肪酸单体高分子聚合物。属于酯类，亦称聚羟基烷酸酯（PHAs）。老式塑料老式塑料新型塑料新型塑料100-2第2页第2页3PHAs除含有高分子化合物基本特性，如质轻、弹性、可塑性、耐磨性、抗射线等外，还含有生物可降解性和生物可相容性。香波瓶1个月合成塑料PHAs原料原料降解降解第3页第3页 其中，m=1，2 或3，n 为单体数目，R 代表侧链，多为C1C13 不同链长正烷基，也能够是支链，不饱和或带取代基烷基。当m=1 时，R 为甲基时，为聚3羟基丁酸（PHB），是PHA中最常见而又最主要一个。第4页第4页5二、PHAs结构、物理化学性质和应用各种微生物在一定条件下能在胞内积累PHAs作为碳源和能源贮存物。由于PHAs含有低溶解性和高分子量，它在胞内积累不会引起渗入压增长，是抱负胞内贮藏物，比糖原、多聚磷酸或脂肪愈加普遍地存在于微生物中。PHAs通式可写成：单体数目第5页第5页6聚合物命名R为甲基时，其聚合物为聚-羟基丁酸(PHB)R为乙基时，其聚合物为聚-羟基戊酸(PHV)在一定条件下两种或两种以上单体还能形成共聚物，其典型代表是3HB和3HV构成共聚物P(3HB-co-3HV)。第6页第6页7大多数相关细菌PHAs物化性质研究是针对PHB和PHBV两种聚合物进行。PHB是高度结晶晶体，结晶度范围在5580%，其在物理性质甚至分子结构上与聚丙烯(PP)很相同，比如熔点、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含有光学活性、阻湿性等则是PHB长处，见表7-2-1。PHAs结构、物理化学性质第7页第7页8第8页第8页9PHB较脆和发硬，但可通过与适量HV共聚而补偿。伴随PHBV中HV组分增长，聚合物劲度减少而韧性增长，且共聚物熔点伴随HV组分增长而减少，使得较易对其进行热加工处理。单体4HB聚合物或3HB与4HB共聚物P(3HB-co-4HB)则是高弹体，且其生物降解速度比均聚PHB或PHBV更快。PHAs结构、物理化学性质-续HV-羟基戊酸HB-羟基丁酸第9页第9页10PHAs应用应用shampoo bottles bicycle helmet 第10页第10页11二、PHAs生物合成合成PHAs主要微生物合成PHAs主要基质PHAs代谢路径与调控第11页第11页12 能产生PHAs微生物分布极广，包括光能和化能自养及异养菌计65个属中近300种微生物。当前研究较多微生物：产碱杆菌属(Alcaligenes europhus,现在更名为Ralstonia eutropha)假单胞菌属(Pseudonomas)甲基营养菌(Methylotrophs)固氮菌属(Azotobacter)红螺菌属(Rhodospirilum)（一）合成PHAs主要微生物第12页第12页13真养产碱杆菌(Ralstonia eutropha)为革兰氏阴性兼性化能自养型细菌积累PHB可达细胞干重90%以上能利用糖加丙酸或戊酸产生P(3HB-co-3HV)改变基质该菌还能将4HB和5HV结合到3HB结构中去，形成4HB或5HV单体与3HB共聚物。采用带有真养产碱杆菌PHB合成基因重组大肠杆菌(E.coli)。工业化生产PHAs微生物第13页第13页14（二）、合成PHAs主要基质(1)、糖质碳源、糖质碳源葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等。(2)、甲醇、甲醇甲醇是最廉价基质之一，ICI拥有生产甲醇单细胞蛋白技术经验，曾考虑用甲醇作基质生产PHB。甲醇菌积累PHB含量不高，PHB回收成本大，PHB分子量较小。第14页第14页（3）、气体）、气体H2/CO2/O2真养产碱杆菌等一些爆鸣气细菌能利用H2/CO2/O2产生PHB，其中H2作为能源，CO2是碳源。以H2作为基质按其价格和产率而言(见表1)在经济上是划算，且H2又是一个洁净可再生资源。能够同时处理两个严重环境污染问题：温室效应及废弃非降解塑料对生态环境危害。安全性问题：处理混合气体爆鸣安全问题和气体循环利用问题。控制基质气相中氧浓度低于气体爆炸下限(6.9%)是安全。15第15页第15页16（4）、烷烃及其衍生物）、烷烃及其衍生物假单胞菌能利用中档链长烷烃或其衍生物醇、酸等产生中档链长羟基烷酸共聚物(PHAMCL)，共聚物中单体构成与基质碳架长度相关。以辛烷作基质连续培养食油假单胞菌(P.oleovorans)，稳定态细胞浓度11.6g/l，PHA生产强度为0.58g/Lh，第16页第16页17（三）PHAs代谢路径与调控PHAs产生机理产生机理微生物在碳源过量而其它营养如氮、磷、镁或氧不足时，积累大量PHAs作为碳源和能源贮存物，或作为胞内还原性物质还原能力一个储备。当限制性营养物再次被提供时，PHAs能被胞内酶降解后作为碳源和能源利用。第17页第17页18 胞中积累PHAs存在形式以单个粒子形态存在，每个细胞含有颗粒数量大小随微生物种类而不同，在Ralstonia eutropha中，每个细胞含有8-10个颗粒，每个颗粒直径大小为0.2-0.5m；以非晶体形式存在。含有高度折光性，颗粒外面包裹着一层膜，没有生物膜那样经典双层结构，膜中含有PHAs合成酶降解酶系统。第18页第18页19三、三、PHAs发酵生产发酵生产PHAs实现大规模工业化生产主要障碍是生产成本。英国帝国化学公司(ICI)认为影响PHAs生产成本主要原因有菌种原料操作方式提取办法第19页第19页20因而减少PHAs生产成本主要办法(1)采用廉价基质(如CO2、H2和O2，甲醇，乙醇，葡萄糖及来自农业废物有机酸等)和提升产物对基质产率系数，减少发酵原材料成本；(2)提升生产强度(如选育高产菌株、采用适当发酵生产方式等)，以减少操作成本；(3)改进提取、纯化技术(如不采用价格昂贵有机溶剂、简化操作等)，以减少提取成本。第20页第20页21PHAs流加发酵流加发酵 在PHAs生产中，通常采用分批发酵法和流加发酵法，有时用连续培养法来取得高生产强度。由于Ralstonia eutropha只有在某种营养成份氮、磷或氧等缺乏而碳源过量不平衡生长条件下才干大量积累PHAs，普通可将发酵过程分成两个阶段来进行控制：第一阶段为菌体细胞形成阶段，在此阶段微生物利用基质形成大量菌体，而多聚体PHAs积累量很少；第二阶段为多聚体形成阶段，当培养基中某种营养耗尽时，细胞进入PHAs形成阶段，在此阶段PHAs大量形成而菌体细胞基本上不繁殖。第21页第21页