PHA的英文名為：PolyHydroxyAlkanoates，中文名稱叫聚羥基脂肪酸，可生物降解材料（PHA）是一種高分子生物材料，大量的存在微生物細胞特別是細菌細胞中。這是一種由多種微生物合成的天然生物高分子材料，因其獨特的生物相容性、生物可降解性以及良好的物理性能，近年來，在生物材料領域受到了廣泛關注。

根據PHA單體中碳原子數目的不同將PHA分為3類：短鏈PHA(scl—PHA)，含3～5個碳原子；中鏈PHA(mcl．PHA)，含6-14個碳原子；長鏈PHA(1cl—PHA)，多于14個碳原子。

PHA的分子量為1000～1000000，玻璃態溫度為-60℃～+60℃，熔點為+40℃～190℃，它對水蒸氣和空氣中大多數氣體的阻隔性能類似于PET。

PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、環境友好性等。正是由于這些特殊性能的存在，使得PHA擁有許多潛在的應用前景，各國科學家對PHA進行了很多工藝流程開發和具體性能探索。

PHA在淡水中穩定，但可以在海水或者土壤中完全生物降解，并且降解速度較其他生物材料較快，對環境也沒有二次污染，可以代替諸多一次性產品的石油塑料作為大多數物品的包裝材料。

PHA的降解：

PHA的最大的特點是，在堆肥、土壤、海水等幾乎所有環境中都可以被微生物分解，并且分解后的產物大多都是水和碳基，也不會污染環境。

這個發現在禁塑背景下使PHA在一次性塑料產品領域的呼聲漸起，也為一次性塑料替代產品提供了一種綠色可持續發展的思維。

PHA降解條件：

注：此處用的生物基降解材料PHA：100%

①、環境中含有能降解PHA的微生物，這些微生物一般在土壤、海水、池塘中都有存在，但是在不同的環境所擁有的微生物活性及其群落數量有所不同，因此PHA的降解速度也有所區別。

②、環境里擁有足夠多的水分、氧氣、礦物質和葡萄糖等微生物存活所需要的養分，PHA可以作為微生物的碳源，被微生物攝取利用。微生物在分解消耗PHA時需要進行呼吸運動，因此需要氧氣、水分和葡萄糖等提供呼吸運動的原料。

③、對于不同類型的微生物及聚合物體系，需要提供一定的溫度條件（20℃～60℃）和一定pH值（5～8）。

一般認為PHA的降解首先是在一定的條件下，各種附在培養基表面增殖的微生物釋放出特定的降解酶。在降解酶的催化作用下，聚合物分解成很小的分子段，當聚合物分子量降到500g/mol以下時，就很容易被微生物吸收消化。

它的降解速度取決于酶的種類，數量和加入的添加劑等因素。如果不滿足上述的條件如在常規的環境下或在淡水中PHA是不會被降解的。

PHA合成關鍵點：

PHA的生物合成主要分為三部分：主要微生物、主要基質、PHA的代謝途徑與調控。主要的微生物有產堿桿菌、假單胞菌、甲基營養菌、固氮菌、紅螺菌等；主要基質有糖質碳源（葡萄糖、蔗糖、糖蜜、淀粉等）、甲烷、氣體H2/CO2/O2、烷烴及其衍生物等。

微生物法合成PHA：

PHA是由很多細菌合成的一種胞內聚酯，在生物體內主要是作為碳源和能源的貯藏性物質。

與純菌種合成PHA相比，利用混合菌群合成PHA有很多優點，例如在馴化過程中混合菌群的選擇基于生態原理，菌種穩定，為PHA的工業化生產創造了前提；

混合菌種對工藝的適應性強，工藝控制簡單，無需滅菌消毒提供純種環境，從而降低了工藝運行成本；混合菌種可以適應多種不同底物，從而擴大底物的選擇范圍，為混合底物應用于生產打下了良好的基礎。

混合菌群合成PHA的工藝主要有厭氧—好氧交替運行工藝、微氧—好氧工藝和好氧瞬時進料工藝。

1）、厭氧—好氧交替運行工藝

該工藝實際上為活性污泥工藝中的除磷工藝，PHA的積累與分解主要取決于厭氧—好氧系統中聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)的代謝活動。

在厭氧單元，活性污泥中的PAOs和GAOs分別水解細胞內貯存的聚磷酸鹽和肝糖元，從而產生ATP形式的能量，同時攝取外界碳源合成PHA，進而細胞內的PHA含量增加。

在好氧單元，外界碳源濃度變低，ATP、NADPH以及細胞的前體物質供應不足，PAOs和GAOs便分解體內的PHA，從而產生能量，并用于細胞、聚磷和糖元的合成，進而細胞內的PHA含量降低。

Iwamoto等研究了厭氧—好氧交替運行工藝下，活性污泥中的肝糖原對乙酸鹽(細菌培養底物)吸收的影響。研究結果表明，在厭氧條件下糖原的消耗、乙酸鹽的吸收與PHA的積累成比例，在后續的有氧條件下，積累的PHA耗盡，消耗的肝糖原恢復到與厭氧階段開始時的水平。

Jiang等研究了在厭氧—好氧交替運行工藝下，不同質量比的丙酸和乙酸對PHA的厭氧和好氧轉化、組成和合成速率的影響。

研究結果表明，隨著丙酸與乙酸比值的增加，總PHA的厭氧產率由1g揮發性懸浮物(VSS)可得到4.226mmol下降到1gVSS可得到2.469mmol；PHA中3-羥基丁酸酯(3H)的質量分數由70％左右下降到10％，3-羥基戊酸酯(3HV)和3-羥基-2-甲基戊酸酯(3H2MV)的含量增加。

綜上所述，當將富集的GAOs應用于PHA的合成時，可以通過改變進料組成來控制PHA的組成、產率和合成速率。

Zeng等研究了厭氧和好氧模式下GAOs和PAOs的代謝途徑。研究結果表明，在pH值為7時，厭氧階段的GAOs最大乙酸吸收速率比PAOs慢，好氧階段的GAOs每添加1tool乙酸乙酯生成的PHA質量比PAOs高約9％。這表明PAOs和GAOs分別在厭氧—好氧過程的厭氧階段和好氧階段具有競爭優勢。

從研究可以看出，厭氧—好氧工藝合成PHA的研究主要集中在有機酸的代謝機制上。在厭氧和好氧階段，GAOs和PAOs對底物(乙酸、丙酸等)的吸收速率不同，因此在不同階段形成PHA的質量發生改變。

2）、微氧—好氧工藝

微氧—好氧工藝是在厭氧—好氧工藝的基礎上進行改進而獲得的。在厭氧單元通入一定量的氧氣使之形成微氧環境，微生物通過氧化分解部分有機物來獲得能量來合成PHA。

給好氧單元供應過量的氧氣，微生物會消耗體內的PHA促進細胞生長。PHA的積累—分解過程循環往復，進而篩選出能積累PHA的微生物，提高PHA的合成率。

Blunt等研究了微氧工藝模式對惡臭假單胞菌LS46以脂肪酸為底物合成中鏈多羥基烷酸酯產率的影響。

結果表明，微氧環境會強烈地誘導脂肪酸合成mcl—PHA，并且可以控制氧轉移速率獲得更高的產率(PHA合成菌在生長不平衡的條件下更易積累PHA，氮為生長必需元素，當氮限制時，會使PHA的產率提高)。

Amulya等研究了以廢水為底物生物時，微氧工藝和好氧工藝對合成聚羥基烷酸酯產率的影響。結果表明，與好氧工藝下合成PHA的產量(質量分數為34％)相比，微氧工藝能獲得更大的PHA產量，質量分數達到了56％(以PHA與干細胞質量的比值計)。

上述研究表明，與厭氧一好氧交替工藝和需氧工藝合成的PHA產量相比，微需氧工藝能獲得更大的PHA產量。

3）、好氧瞬時進料工藝

好氧瞬時進料工藝是通過創造瞬變條件(如某種生長必需因子的匱乏，或者過剩的碳源)來完成的。

當底物供應呈現時而豐富時而匱乏的非平衡狀態時，污泥中的某些微生物能夠逐步適應很高的碳源濃度，并且快速地將基質吸收進細胞內，以一種平衡的狀態合成PHA。

當底物豐富時，PHA在微生物體內貯存；當底物匱乏時，PHA則被分解以獲取能量和碳源維持細胞代謝。

Chen等研究了用新型三段連續進料方式培養混合微生物(MMC)、高效積累PHA的方法。結果表明，在低生物量負荷率的連續進料模式下，且以混合揮發性脂肪酸鹽為底物、pH值為5時，獲得最大胞內PHA質量(質量分數為70.4％)和PHA收率。

Chen等比較了有氧動態放電(ADD)模式和傳統的好氧動態進料(ADF)模式篩選強PHA積累混合微生物的能力。結果表明，在ADD模式下PHA積累菌具有更好的PHA生產潛力，混合微生物積累的PHA最大質量分數能達到(74.16士0.03)％，PHA收率能達1cmol的乙酸鹽生成(0.72+0.07)cmol的PHA。

Amulya等研究了通過好氧動態進料方法提高生物塑料生產率的可持續多階段工藝，多階段工藝的階段I為食物廢棄物發酵產酸，階段II為PHA合成菌富集，階段III為PHA生產。

結果表明，II階段(16.3％的細胞干質量；84％的VFA去除率)和III階段(23.7％的細胞干質量；88％的VFA去除率)均獲得了較高的VFA去除率和PHA回收率，得到的PHA為PHB和PHV的共聚合物P(3HB—co一3HV)。

上述研究可以看出，好氧瞬時進料工藝一般是可持續多階段工藝，主要的底物為揮發性脂肪酸鹽和食物廢棄物發酵產生的酸。PHA的合成產率因底物的不同而不同，積累的PHA最大質量分數能達到74.16％左右。

PHA材料的應用：

PHA的基本性能與聚丙烯相似，可在傳統塑料加工機械上進行拉絲、模壓、熱注塑加工成型，可代替絕大部分石油基塑料原料，廣泛應用于農業、環保、生物化工、微電材料、能源、醫藥、醫用材料等領域。

目前，我國擁有完整的PHA生產鏈的企業只有為數不多的幾家，PHA的產量還略有不足，生產成本也較塑料等材料較高，因此，到現在PHA還沒有得到廣泛的應用，只是在醫用方面有些許應用。

還有很多的聚羥基脂肪酸的合成方式僅僅停留在實驗階段，遠遠沒有達到工業化生產的要求，需要我國科學家繼續孜孜不倦的進行探索與試驗。

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