微生物聚合PHA塑胶

《微生物聚合PHA塑胶》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、微生物聚合PHA塑膠，環保又好用生物可分解性塑膠多半是將乳酸聚合成聚乳酸做為原料，目前也有科學家研究利用微生物合成多種聚酯類，其韌性強度、耐熱性等比聚乳酸提升很多。文／楊嘉慧審稿／大同大學生物工程系教授陳志成、元智大學生物科技與工程研究所副教授魏毓宏圖為聚羥基脂肪酸酯（PHA）單體，R為可變基團，因此PHA的結構有很多種，例如R若是-CH3，則為聚羥基丁酯（PHB）；若是-CH2-CH3，則為聚羥基戊酯（PHV）。（電腦繪圖：姚裕評）　生物可分解性塑膠現階段主要是取玉米或樹薯中的澱粉，經發酵生成乳酸，再以化學聚合方式製作出塑膠原料聚乳酸。現在也有不少科學家投入

2、研究利用微生物，如某些黴菌、酵母菌、細菌等，生產聚羥基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates,PHA）化合物，以此做成的塑膠其韌性強度與耐熱性較聚乳酸強，用途可更廣泛。　PHA最早是1926年由法國微生物學家發現，到1950年代才證實某些微生物處於過量碳源及缺乏氮、磷、鎂、鉀等營養物的環境下，菌體會自行合成PHA（為菌體儲存能量的物質）。當時這個發現並沒有引起學界太大重視，直到1970年代石油危機，人們在尋找替代能源時，才想到這個帶有酯基、可生物降解的聚合物。顯微鏡下的PHA。（影像來源：董崇民）　大同大學生物工程系教授陳志成表示，利用微生物來合

3、成PHA的方法有很多種，例如以葡萄糖為碳源，並限制一種或數種營養物的含量。目前研究發現，降低氮、磷、鉀等營養物的比例，可促使微生物合成較多的PHA；另也有利用基因轉殖法，將可以合成PHA的微生物基因轉接到無法合成PHA的菌株，像元智大學生物科技與工程研究所副教授魏毓宏就是研究把可合成PHA的基因轉殖到大腸桿菌上，利用大腸桿菌快速生長的優點，大量生產PHA，目前他已經做到可使大腸桿菌菌體總重量的80~90%都是PHA（見下圖）。利用基因轉殖技術合成PHA。圖中的白色圓點就是大腸桿菌合成的PHA。（影像來源：魏毓宏）　通常在發酵槽培養微生物數小時至數天後，即可以開

4、始破菌，讓微生物細胞破裂，再利用溶劑萃取出菌體內的PHA。以現階段的研究，在培養槽中，若微生物細胞平均每公升能萃取出超過100公克的PHA，就算是具PHA生產潛力的方法。培養基不同，PHA結構有差異　若以PHA單體上的可變基團R來分類，PHA的化學結構可分成好幾種。不同微生物、使用不同培養基，都會影響菌體合成出來的化合物結構，若能依需求控制微生物合成出所要的聚合物，就可達到最有效的應用。常見的PHA合成物包含聚羥基丁酯（PHB）、聚羥基戊酯（PHV）、PHB與PHV的共聚物PHBV（即分子鏈上同時有PHB和PHV）等數種，後兩者結構較PHB複雜，製成塑材的延展

5、性較好，因此，若要製造塑膠袋、生物縫線等需要高韌性的產品，就要設計培養基的成份，及篩選可合成較高比例PHBV或PHV的菌種當菌株。以耐鹽菌為例，若以葡萄糖為碳源，會培養出PHB，而戊酸鈉則可培養出高比例的PHV和PHBV。　與主流的聚乳酸（PLA）生物可分解性塑膠相比，PHA塑膠產品的韌性強度、耐熱性等均優於PLA塑膠，而且PHA可100%分解成CO2 和H2O，做成補牙填料、生物縫線、骨折固定材料時，不需擔心有毒物質進入體內，在生醫材料市場相當具競爭力。以耐鹽菌生產PHA以耐鹽菌生產PHA的發酵槽。（影像來源：陳志成）　PHA雖然有不少PLA所缺乏的優點，但

6、目前仍在研究階段，尚無法大規模量產製造，原因包含培養基使用的葡萄糖成本高，且發酵槽環境控制複雜，在數公升的發酵槽操作易成功，放大發酵槽至數百公升到數噸以上則不易再現。　為了降低影響發酵槽的複雜因子，目前有科學家以耐鹽菌生產PHA，因為耐鹽菌的生長環境是在濃度為25%的鹽水（海水為5%）中，不易雜生其他菌種，可長期培養，每次只取發酵槽中部份菌體出來破菌，其餘繼續發酵，能省下清槽、先期培養等所耗費的時間與成本，而且也能朝大型發酵槽設計。此外，耐鹽菌的破菌方法簡單，菌體取出後，加入純水，因高滲透壓的關係，純水會大量滲透進菌體，使菌體細胞脹破；不像有些破菌方法是添加大

7、量化學試劑，會增加額外成本，而高壓法大量破菌，則容易損失PHA。　在降低成本上，大同大學生物工程系教授陳志成分別以成本相對便宜的米糠或麥麩混合澱粉，當做耐鹽菌的氮源及碳源，結果發現在其他條件相同的情況下，麥麩與澱粉用1:2的比例相混當碳源，PHA產量約是葡萄糖的2倍；若是米糠及澱粉以1:8的比例混合當碳源，PHA產量可達葡萄糖的3~4倍，平均每公升能取出78公克的PHA，效果相當不錯（見下表）。陳志成表示，目前他們合成出來的PHA乃屬於PHBV之結構，其中PHV僅佔10%；由於PHB的物理性質不佳，加工成塑膠產品容易脆裂，未來他們會繼續朝提升PHBV中PHV的

8、比例努力，這樣才有可能讓PHA走進市場