微生物合成的可降解塑料--聚羟基脂肪酸酯

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是由微生物合成的一种细胞内高分子聚酯的通称。PHA具有良好的生物相容性、生物可降解性和塑料的热加工性能，因而被认为是环境友好型材料，有助于解决日益严重的环境污染问题。PHA已被用于生物医用材料和生物可降解包装材料，成为生物材料领域最为活跃的研究热点。PHA在使用完后，能在自然环境条件下较快地降解成为易于被环境消纳的碎片或碎末，并随时间的推移进一步降解为二氧化碳和水（土壤中3-6个月内就能降解）最终回归自然。同时其他微生物吃掉这种生物塑料以后还能繁殖得更快，使土地更加肥沃。

微生物合成的PHA的单体为R型羟基脂肪酸，单体的碳链长度以及侧链的不同，造成PHA聚合物的种类多种多样。早期的PHA分类主要分短链PHA(scl-PHA) (单体为C3-C5)和中长链PHA(mcl-PHA) (单体为C6-C14)两种，近年来随着已报道存在的单体以及重组微生物合成的新型PHA越来越多，拓宽了PHA的单体多样性及聚合方式的多样性。

单体的聚合方式也是影响PHA多样性以及物理性质的重要因素。只有一种单体的PHA，被称为均聚物；两种或两种以上单体聚合形成的PHA，被称为共聚物。随着合成生物学的发展，微生物合成的PHA共聚物又分为随机共聚和嵌段共聚。

由于PHA繁多的单体种类，造成了不同PHA之间的物理化学性能有很大的差异，从一开始坚硬质脆的硬塑料（PHB）到柔软的弹性体（中长链PHA），微生物合成的PHA完全可以与传统的热塑性塑料（如聚乙烯）相媲美满足不同的需求。PHB，聚羟基丁酸酯，是研究最早最透彻的一种PHA。性能上相似于聚丙烯（PP），性脆，断裂伸长率低，因此限制了它的应用范围。中长链PHA是热塑性的弹性体，柔韧性好，但其结晶速率低，40℃左右聚合物就会软化。通过形成共聚物的方式向PHB中掺入其他单体可以极大的改善其物理性能。

近年来PHA研究和应用的主要发展方向是：(1) 改善生物可降解塑料的性质，提高生物可降解塑料的应用范围；(2)进一步降低生产成本，实现生物可降解塑料的大规模产业化。

制约成本的因素很多，包括：底物成本、耗水问题、灭菌带来的能耗、批次发酵造成的低效率生产、不锈钢设备的固定资产成本以及人力成本。清华大学陈国强教授找到一株合适好养的菌种--盐单胞菌作为底盘菌，重构PHA生产过程，该类菌利用海水来替代发酵培养基中的淡水，在无灭菌发酵条件下进行PHA 生产，且不会发生杂菌污染。重组盐单胞菌 LS21 连续发酵了 65d 没有发生杂菌污染，细胞干重达到70 g/L，PHB 含量达到 74%。这种基于海水的发酵生产技术被称为蓝水生物技术。经粗略估算，蓝水生物技术生产 PHA 的成本能够降低近一半。实现生产总成本比现有技术降低一半，走在了世界的最前列。2017年底，陈国强教授实现了生物级可降解新材料（PHA）项目的工业化，由北京蓝晶微生物科技公司和山东百盛生物科技有限公司投资建设，采用世界上体积最大的塑料生物反应器，已完成5吨级产品中试，建立了完善的PHA中试生产线，实现了无灭菌开放连续发酵低成本PHA量产能力，对我国生物制造产业的转型升级起到历史性的推动作用。

使用糖类化合物等廉价底物直接合成各种PHA，是降低生产成本的一种思路。因此廉价的底物，如秸秆、玉米芯等农业废弃物，得以利用来生产PHA。这些生物质原料能够水解成糖的混合物(包括葡萄糖、木糖、阿拉伯糖、半乳糖等)，本课题组已经利用玉米芯母液作为底物生产PHA的转化率达到40%以上。同时，通过减少糖代谢溢流，乙酸的产量大大降低，PHA产量已经有了很大提高，利用工程菌生产的PHA含量占菌体干重的90%以上。

PHA源于自然，回归自然，无需回收、无需堆肥，未来能替代50%以上塑料！相对于传统塑料，生物塑料可降低30%~50%石油资源的消耗，在节约资源、缓解全球变暖等问题上，以PHA生物基可降解塑料为首的生物塑料必不可少！