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生物工程与生物材料

编辑:语际翻译     2009-5-7         转载请注明来自  语际翻译公司 http://www.scientrans.com

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        20世纪生命科学领域中细胞生物学和分子生物学的两大飞跃,使人类对生命本质的认识达到了一个前所未有的高度。随着科学技术的发展,人类为了自身的生存与发展,把对生命科学的研究作为一条主线,不断应用其它现代科学技术,逐渐形成了一门理工医相结合的交叉学科——生物工程。

        生命系统是由无数个细胞组成的,每个细胞都包含有成千上百种酶,分别催化着各种各样的生化反应。通常生物合成的高分子有蛋白质、核酸如DNA和RNA、多糖以及磷脂等。然而在近几十年中,由生物合成或利用生物与化学合成法结合得到的另一些高分子材料正在形成研究的热点,而且随着研究成果的逐步商业化,这些高分子材料将对人们未来的生活发生巨大的影响。它们当中具有优良生物相容性及生物可降解性的聚羟基脂肪酸(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)和聚乳酸(PLA),以及具有超强性能的聚三亚甲基对苯二酸酯(polytrimethylene  terephthalate,PTT)和聚苯(PPP)可称得上这些新型高分子材料的代表,本文试对这几种高分子材料作一个简单的综述。

1 聚羟基脂肪酸(PHA)

        在微生物细胞,特别是细菌细胞中,大量地存在着一种高分子聚酯─聚羟基脂肪酸(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)[1]。目前已经发现PHA聚酯有至少125种不同的单体结构,并且新的单体被不断地发现出来。由微生物合成的PHA有一些特殊的性能,包括生物可降解性、生物相容性、压电性和光学活性等[2-3]。另外,根据单体结构或含量的不同,PHA的性能可从坚硬到柔软到弹性变化[3]。PHA有许多潜在的应用前景,国内外都对其进行大量的基础和应用开发研究[4]。最近,清华大学领先在国内外成功地实现了一种性能优良的PHA─3-羟基丁酸和3-羟基己酸的共聚物PHBHHx的工业化生产,为开发这种新型材料的应用提供了原料基础[5]。

1.1 PHA的发酵工程——微生物法合成PHA

        许多细菌具有合成PHA的能力,可根据菌种的不同,使用不同的前体,使细菌合成与前体结构有关的的PHA[6-9]。利用这种方法,可对PHA的分子结构进行分子设计,合成性能符合要求的材料[9]。

PHA的微生物法合成和工业化生产

        尽管已经发现有超过300种不同的微生物可以合成PHA,只有其中的几种能够以高浓度和高产率来生产PHA,如Ralstonia  eutropha  (以前叫Alcaligenes  eutrophus)[10],  Alcaligenes  latus[11],  Azotobacter  vinelandii[12-14],Aeromonas  hydrophila[5],几株甲烷菌和重组Escherichia  coli[10]。为达到商业化的目标,有很多研究和努力来降低生产成本,包括改良菌种和优化发酵和提取工艺等[10]。PHA生产的整个过程应该被彻底设计和分析以减少生产成本,过程包括碳源分析、发酵过程、PHA产率以及提取方法等。短链和中长链PHA的发酵经济学已经有了综述[15],并提供了PHA有效生产的策略。

        批式补料方法是PHA生产的最常用的发酵手段。两步培养法也经常使用,尤其是对于那些在限制营养元素条件下积累PHA的菌种[10,  11]。其它的菌种在合成PHA时不需要限制营养元素,其PHA合成是与细胞生长相关的,比如Bacillus  sp.  [16],  A.  vinelandii  [12]  和重组E.  coli  [10]。最近已经有综述研究了控制批式补料发酵方法的技术[17],也发展出了利用多波长荧光检测器在线监控发酵过程的方法[18],批式补料发酵方法可以被更好地优化。PHA产率、细胞含量和产量不仅仅与特定的菌种和发酵过程有关,还在很大程度上受到所使用的碳源和其它营养元素的影响[10]。除葡萄糖和果糖外的其它便宜碳源,如甲醇、乙醇、糖蜜和半纤维素水化物等都可以用来作为碳源以降低成本。最近,乳清[19]、有机酸水解淀粉废水[20]和甲烷[21]甚至废水[22]也被用来生产PHA。在所有与成本相关的因素中,PHA含量被认为是最重要的,因为它影响PHA产量和回收效率[15]。

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