聚羟基脂肪酸酯生产菌种及发酵工艺研究进展

首先对聚羟基脂肪酸酯(PHAs)发酵菌种的选育情况及发酵特性进行比较全面的介绍,对已报道过的发酵工艺进行系统性综述、比较及分析。最后,归纳目前利用微生物发酵生产PHAs存在的问题,并对PHAs发酵菌种及工艺的未来发展趋势及重点研究方向进行展望。

基于非粮糖蜜的聚羟基脂肪酸酯发酵培养基优化与中试放大

为促进绿色生物基材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)的发展,推进非粮糖蜜发酵等工艺标准化、规模化、绿色化运行,压缩PHA发酵成本,提高生产强度,该研究以盐单胞菌(Halomonos sp.)TD01为发酵菌株,基于非粮糖蜜原料发酵生产PHA。通过单因素试验和响应面法优化确定最佳发酵培养基配方,并调整补料培养基后进行中试放大验证。结果表明,生产PHA最佳发酵培养基配方为糖蜜添加量33.2 g/L,尿素添加量2.5 g/L,硫酸铵添加量2.2 g/L。在此优化条件下,PHA产量为3.12 g/L。通过2 L扩大发酵罐培养得到PHA总产量达到67.36 g/L,较优化前产量增长142.13%;5 kL中试发酵得到PHA总产量为51.16 g/L,较优化前产量增长了83.90%。

聚羟基脂肪酸酯在组织工程中的应用

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)是一系列由微生物合成的天然高分子材料,目前已发现有超过150种组成单体不相同的PHA聚合物。由于最常见也是研究最广泛的PHA——聚3‒羟基丁酸(PHB)具有优良的生物相容性和生物可降解性,且其降解产物3‒羟基丁酸(3HB)对多种疾病具有潜在的治疗功能,PHA相关材料在组织修复与再生领域得到广泛的关注。介绍了不同单体组成的PHA在修复骨缺损、愈合皮肤伤口、重建神经和递送药物等不同组织工程领域的应用,总结了对应的材料制备方法及组织修复机制,为后续PHA的生物医疗应用提供新的思路。

聚羟基脂肪酸酯(PHAs)基止血材料研究进展

在意外事故、自然灾害及军事冲突中,人体会受到严重外部创伤,出现大量的不可控出血,极易导致伤员的缺血性休克甚至死亡。因此,伤口的快速止血是提高伤者存活率的关键,快速止血一般需要借助止血材料实现。聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是一种天然高分子化合物,具有良好的生物相容性、生物可降解性、可改性等特性,其降解产物还具有促进活体细胞增殖和分化的作用,可加速伤口愈合,是一种极具潜力的止血材料,受到生物医学研发人员的广泛关注。但在应用过程中,PHAs基材料在韧性、抗菌和凝血能力方面仍然存在缺陷。因此,若想开发基于PHAs的止血材料,必须对其韧性、抗菌能力及凝血性能进行改善。本文综述了近年来PHAs基材料在韧性、抗菌能力以及凝血性能等方面的研究进展,可为PHAs基止血材料的研究开发提供参考。PHAs基止血材料具有较高的经济价值,相关研究对严重创伤的救护和新型生物材料的应用推广具有重要意义。

生物降解包装材料聚羟基脂肪酸酯的工艺研究进展

目的高昂的生产成本制约着绿色包装材料聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHAs)的发展,通过对其生物合成过程中的碳源底物、影响因素的研究,实现其低成本、高效率合成以及规模化应用。方法归纳分析现阶段国内外PHAs的研究现状和成果,介绍合成PHAs的碳源底物、微生物培养方式以及在合成阶段溶解氧(DO)、pH值、碳氮比等因素对PHAs合成效率的影响。结论廉价的生物质资源、合理的碳氮比、多批次好氧/厌氧培养、较低的溶解氧浓度、中性或碱性培养环境已经成为提高PHAs产量、降低PHAs生产成本的重要手段。随着生产工艺的不断优化,绿色生物塑料PHAs的规模化生产及其广泛应用必将推动包装材料向绿色化、安全化方向发展。

非溶剂诱导相转变法制备的聚羟基脂肪酸酯超滤膜的过滤性能

作为一种全生物降解塑料,聚3-羟基丁酸脂-co-4-羟基丁酸酯(P34HB)多孔膜的开发无疑将扩展其应用领域。文中通过非溶剂诱导相转变(NIPS)方法制备了P34HB超滤膜,确定了合适的聚合物制膜浓度,并通过引入相对分子质量分别为400和8000的聚乙二醇(PEGs),探讨了铸膜液组分与孔洞结构、过滤性能之间的关系。结果显示,制备的超滤膜均呈海绵状结构,添加PEGs后膜的抗污染性能有一定提升。添加3.3%PEG400所制成的膜性能最佳,腐殖酸截留率为89%。添加少量的PEG400有利于提高膜的亲水性,从而提高对疏水性污染物腐殖酸的抗污染性能,最终在11 h的过滤过程中保持稳定通量。

温度与应变率对聚羟基脂肪酸酯弹塑性力学行为的影响

为探究温度和应变率对聚羟基脂肪酸酯(PHA)的弹塑性力学行为的影响,首先对2种具有代表性的PHA(牌号分别为EM10080和EM20010)在4种不同的加载速率和2种不同温度下进行准静态单轴拉伸测试研究。测试结果表明2种牌号的PHA的力学性能(杨氏模量、屈服应力)均随温度升高而降低,而随应变率的增加而升高;并且由于EM20010的玻璃态转化温度为55.96℃,因而在22℃时表现出玻璃态的线弹性力学行为,而在62℃表现出橡胶态的弹塑性力学行为;此外,拉伸后样件表面都出现了平行于拉伸方向的微观裂纹,使得材料表面呈现出类似于被“撕裂”的形貌,E10080的撕裂孔呈梭形,而EM20010的撕裂孔呈条状。然后,依据试验数据,采用Johnson-Cook本构模型对EM10080的温度和应变率相关应力应变响应进行了模拟;并分别采用线弹性本构模型和传统弹塑性本构模型对EM20010在室温(22℃)和高温(62℃)下的应力应变响应进行了模拟。

聚羟基脂肪酸酯/茶粉复合材料的制备与性能研究

以茶粉(TPF)为原料,经甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)改性后采用溶液法与聚羟基脂肪酸酯(PHA)复合,制得PHA/TPF复合材料;采用智能拉伸试验机、傅里叶红外光谱仪、热重分析仪和扫描电子显微镜对复合材料的力学性能、化学结构、热稳定性和微观形貌进行表征,研究了TPF和GMA含量对复合材料性能的影响及其作用机理。结果表明,PHA/TPF复合材料的拉伸强度和断裂伸长率随TPF的增加呈先增后减的变化趋势;TPF含量为15%(质量分数,下同)时,PHA/TPF复合材料的力学性能最佳,与纯PHA相比拉伸强度提高了约28.87%、断裂伸长率提高了约52.31%。经GMA改性后,TPF在PHA基体中的相容性和分散性得到明显改善,提升了PHA/TPF复合材料的力学性能和热稳定性;随GMA用量的增大,PHA/TPF/GMA复合材料的拉伸强度和断裂伸长率呈先增后减的变化趋势;GMA用量为3%时复合材料性能最佳,与PHA/GMA复合材料相比,拉伸强度提高了约66.03%、断裂伸长率提高了约45.01%。

活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯工艺研究进展

本文综述了利用活性污泥合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)的各类工艺(厌氧-好氧工艺、好氧动态补料工艺、好氧动态排水工艺),分析了影响活性污泥合成PHA过程中的主要影响因素(有机负荷、碳源种类、营养元素、pH值、温度、溶解氧浓度、生物固体停留时间),以及不同工艺的优劣性.并指出好氧工艺的PHA产量较大,但生产成本较高,故未来量产PHA的目标为降低其生产成本,以及加强PHA的提取纯化.

聚羟基脂肪酸酯合成酶的改造和代谢途径构建的研究进展

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)是许多细菌在非平衡生长条件下在胞内积累的以颗粒状态存在的碳源和能源储藏物质。PHA因其具有生物可降解性、生物相容性等许多良好的材料性质、可以作为化学合成塑料未来的替代品而引起广泛关注。但由短链脂肪酸或单一脂肪酸单体合成的PHA的材料性质具有局限性,需要利用多种单体合成满足实际需求的PHA材料。PHA合成酶的底物特异性和PHA合成代谢途径决定着PHA的单体组成情况,进而影响着PHA的理化特性和材料性能。因此需要对PHA合成酶进行改造,扩展其对底物的特异性。另一方面需要构建新的PHA合成代谢途径,能合成出一些不常见的且性能优良的PHA材料。综述了近些年对PHA合成酶改造的研究及PHA代谢途径构建的研究进展。

聚羟基脂肪酸酯细菌合成的生长环境依赖性

聚羟基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoate,PHA)是一类由许多细菌合成的、结构多变的能量和碳源的储藏物质 .为了得到能合成新型PHA的菌种 ,或得到能在便宜简单碳源上合成PHA的菌种 ,以我们实验室开发的傅立叶红外 (FT IR)细胞无损检测技术和常规气相色谱 (GC)法对全国各地的采集的不同样品中分离的菌种进行了筛选 .往往在不同的地理环境中 ,筛选出的菌株所合成的PHA的单体组成不同 ,有的以含四个或五个碳原子的短链单体PHA(Short chain lengthPHA ,sclPHA)为主 ,有的以含六个到十六个碳原子的中长链单体PHA(Medium chain lengthPHA ,mclPHA)为主 .在我们以六种底物为碳源培养的 371株形态不一的菌株中 ,有 40 %的菌可以合成PHA ,而其中许多可以同时合成PHB与中长链PHA共混的聚合物 .

聚羟基脂肪酸酯的微生物合成、性质和应用

聚羟基脂肪酸酯 (Polyhydroxyalkanoates ,PHA) ,是微生物合成的一种聚酯 ,由于其具有优良性质 ,如生物可降解性、生物相容性和光学性能等 ,现已吸引了科技界和工业界的广泛兴趣 .PHA的力学性质依赖于其手性单体 (R) 羟基脂肪酸 ((R) hydroxyalkanoate)的组成和结构 .多学科的研究表明 ,PHA在可生物降解的包装材料、组织工程材料、缓释材料以及电学材料方面有广阔的应用前景 ,但只有降低PHA的生产成本后才可能大规模应用 .作者对PHA的化学、物理性质以及分子领域的研究进行了总结 ,包括用二维傅立叶变换红外技术对PHA的性质研究及新型PHA共聚物的工业化生产等 .

可生物降解材料聚羟基脂肪酸酯(PHA)的合成与应用概述

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)是很多微生物合成的一种细胞内聚酯,是一种天然的高分子生物材料。PHA具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工等性能。文章主要综述了PHA的合成途径与有关应用方面的研究。

改性方式及马来酸酐添加量对淀粉/聚羟基脂肪酸酯复合膜性能的影响

以羟丙基交联木薯淀粉、聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)为成膜基材,马来酸酐(maleic anhydride,MAH)为增容剂,采用挤压吹塑法制备淀粉/PHA复合膜。马来酸酐通过两种不同方式加入淀粉/PHA体系中,即淀粉、PHA与MAH直接共混挤出(直接添加处理)和PHA先与MAH干法改性,再与淀粉共混挤出(干法改性处理),且MAH的添加量分别为1%、3%和5%。研究改性方式及MAH添加量对膜性能的影响。结果表明:PHA质量分数为12%时,由直接添加处理1%MAH所成膜具有较高的抗拉强度和透光率,较好的阻水性、热稳定性和相容性,且具有较为平滑均匀的微观结构;由干法改性处理5%MAH所成膜的断裂伸长率较高,膜表面较为平整光滑。PHA质量分数为24%时,由直接添加处理3%MAH所成膜具有较高的抗拉强度,较好的阻水性、热稳定性,且微观结构较为平滑均匀;由干法改性处理3%MAH所成膜具有较好的机械性能;由干法改性处理5%MAH所成膜具有较高的透光率。傅里叶变换红外光谱表明MAH的添加能够增强各分子间的相互作用。综合膜的各项性能得出,当PHA质量分数为12%时,由直接添加处理1%MAH所成膜具有较优的性能;当PHA为24%时,由直接添加处理3%MAH所成膜的性能较优。

土著PHA合成菌回注法提高活性污泥积累聚羟基脂肪酸酯能力

在活性污泥驯化之初加入少量土著聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成菌（0.10-0.25g/L），通过10 d厌氧-好氧或好氧-沉淀方式进行污泥驯化后, 以葡萄糖或乙酸钠为碳源进行PHA发酵. 研究了驯化前后土著PHA合成菌回注组和对照组驯化过程中的总菌数，PHA合成菌数的变化，以及对PHA发酵产率的影响.结果表明：在回注组污泥中PHA合成菌的增长速率和增长量均高于对照组，各种污泥积累PHA占挥发性悬浮固体的比例提高了21.44%-43.18％.

聚羟基脂肪酸酯成纤技术的研究进展

简述了聚羟基脂肪酸酯(PHA)的结构、结晶性能、生物降解性能及流变性能;详述了PHA及其改性聚合物静电纺丝和熔融纺丝技术的研究进展;阐述了PHA改性及纤维成形;分析指出PHA纤维成形存在的主要问题是PHA热稳定性差、结晶度高、后结晶现象严重,导致纺丝困难,纤维强度低;提出可通过添加扩链剂、增塑剂、成核剂改性PHA及使用专用油剂来提高其纺丝性能。

利用门多萨假单胞菌NK-01合成中长链聚羟基脂肪酸酯(PHAMCL)

从土壤中分离到1株能够合成中长链聚羟基脂肪酸酯(PHAMCL)的细菌,经分类鉴定命名为Pseudomonas mendocina NK-01。对于该菌株在氮源限制的情况下,利用葡萄糖合成的PHAMCL进行了结构分析。同时,获得了该菌株PHA合成酶基因phaC1,利用大肠杆菌表达载体pBluescript SK-构建了重组载体pBSphaC1,并在E.coli JM109中成功表达。以所构建的工程菌株进行了发酵合成。

红外光谱法动态跟踪聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的热变性过程

本文利用FTIR光谱法研究了常温下和升温、降温过程中PHB ,P(HO co HD)及不同组分的P(HB co HV)和P(HB co HH)共聚物的变化。结果表明 ,PHB、P(HB co HV)和P(HB co HH)在变温过程中红外光谱图发生了明显变化 ,此过程是物理变化 ,且过程可逆。

聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的结晶行为与力学性能调控

聚羟基脂肪酸酯(PHAs)是目前唯一一种由微生物直接合成的生物基聚酯,能够实现材料合成、制品加工和回收降解的全周期绿色生态循环,因而在纺织纤维、包装材料、生物医用材料等领域有着潜在的应用市场。然而,PHAs自身也存在着结晶速率慢、球晶尺寸大和二次结晶等不利结构因素,限制了产品的应用性能。因此,重点从物理异相成核诱导、化学长链支化结构设计和外场多级牵伸诱导3个方面阐述PHAs结晶结构和力学性能的改性研究进展。首先,具有高耐热的无机纳米材料(如硫化钨)可显著提高PHAs异相成核能力;其次,长链支化结构可以提高PHAs熔体强度;再次,在多级牵伸诱导作用下,可协同诱导PHAs聚集态的晶型结构演变,从而获得强度高、韧性好的PHAs纤维。最后,对PHAs的研究和应用做出了进一步的展望。

聚羟基脂肪酸酯纳米微球:结构特征、生物合成及其在生物技术和生物医药领域的应用

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)纳米微球是很多微生物在营养失衡的情况下,在体内合成的一种可生物降解的细胞内聚酯,主要作为微生物的碳源及能量储备。天然PHA微球内部是由疏水的聚酯链构成的疏水核心,其外层是由磷脂界膜及膜上嵌入或附着的包括PHA合酶Pha C和PHA颗粒相关蛋白Pha P等蛋白构成的边界层。Pha C通过共价键连接在PHA微球表面,而Pha P通过疏水相互作用吸附在PHA微球表面。通过将外源性功能蛋白与Pha C或Pha P进行融合表达,在重组微生物体内就能直接合成表面带有功能蛋白的纳米微球复合体。由于该纳米微球在微生物细胞内是以独立的包涵体形式存在,因此通过细胞破碎及离心等方法就能简便、有效地使其从细胞中分离并得以纯化。鉴于PHA微球这种表面易被修饰改造的特性,越来越多的功能蛋白通过与PHA微球表面蛋白(Pha C或Pha P)的融合表达,呈递在了PHA微球表面,使其成为一种廉价、高效的蛋白固定化及呈递的新技术。本文在介绍了PHA微球的结构特性及生物合成的基础上,着重综述了目前关于功能化PHA微球在蛋白纯化、固定化酶、生物分离、靶向递药、疾病诊断、成像技术及新型疫苗开发方面的研究现状及其未来在生物医药等领域的广泛应用前景。