[精选]9生物可降解塑料的生产与应用 中国石油大学环境生物工程课件--资料
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第九章 生物可降解塑料的生产与应用
什么是塑料？
污染范围广、污染物增长速度快(积累2500 万吨/年)、处理难度大、回收利用不易
普通塑料是以合成树脂和配料混合加热而成的物质。
占96％以上
按其性质可分成热塑性树脂和热硬性树脂两大类 .热塑性树脂都 具有受热后软化的性质 ,如聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚苯乙烯 (PS)、和聚氯乙烯 (PVC) ；热硬性树脂在受热时不会变软 ,如酚 醛树脂 ,三聚氰胺甲醛树脂 ,聚氨基甲酸乙脂等。
多种细菌体内合成的的碳 源、能量储备物
脂代谢—乙 酰辅酶A
R
O
O CH CH2 C
n
PHAs 通式
R为甲基~壬基等，不同单体聚合种类有100种以上 其中最常见的R为甲基，即聚β－羟基丁酸(PHB) 另一种常见的PHAs为PHBV（两种单体，R分别为
甲基(HB)和乙基(HV)）
(1)工业生产方式
共性：耐酸碱、抗氧化、耐腐蚀、难降解（埋地百 年也不烂）
环境问题：白色污染、 不可再生石油资源的浪费
该问题的解决出路—可降解塑料的开发
1光可降解 塑料
原理：受日光照射时，光敏剂（铁
钴镍铜等的络合物及芳香族化合物等）
吸收紫外线而分解放出活性自由基迅
可 降
2高填充碳酸
速攻击塑料大分子，聚合物被切断成 深圳绿维 多个较小分子同时被氧化生成-
解 钙(＜35％)降 塑 解塑料
COOH和-CO-，这些较小分子继续被 自由基攻击而进一步变小，随着分子 量降低，制品会迅速变脆，逐渐崩解
料 3生物可降
成小碎片、小颗粒，当其分子量降至 1000以下时易于被微生物食用而消化。 （弊端：需光照120d,填埋则失效）
解塑料
原理：碳酸钙中的（C＝O）光敏基团利于塑料
(1)聚乳酸生物合成
生物糖代谢酵解产物丙酮酸乳酸发酵的产物（参阅《生
物化学》糖代谢内容）
工业上一般以乳酸杆菌(lactobacillus)属发酵生产乳酸
酸奶
酸菜 保健品
降低百度文库酸生产成本是关键！
如何做呢？ 培养
菌种选育
诱变、基 因改造出 高产乳酸
菌
1.廉价原料 如食品废料 或玉米淀粉
2.最佳反应 条件及反应 器选型
光降解；同时有利于塑料充分焚烧；有利于中和
4 前3种的不 尾气中酸性组分（如SO2、NOx)；节约石油原料。
同掺混
（弊端：填埋则失效）
生物 可降 解塑 料
部分可降 解塑料
完全可降 解塑料
彻底消除 白色污染 并节约石 油资源的 根本出路
PE/淀粉
“/”掺混
普通塑料/PCL(聚己内酰胺)
国内 水平
变性淀粉
天然淀粉
9.3 变性淀粉
详见有关文献
改性方法众多，生物 降解塑料领域主要使 用热塑性变性、抗水 性变性
方法：
热塑—加入多元醇、 水等增塑剂物理变性 或与丙烯酸酯共聚接 枝化学变性；
抗水—淀粉醋酸酯化
9.4 聚己内酯（PCL (ＣＯＯ—(ＣＨ2)5 ) ｎ ）
PCL由 ε-己内 酯经化学合成 开环聚合反应 而得
淀粉/PVA(聚乙烯醇) 自然成分 淀粉/ PCL
壳聚糖/ 纤维素
纯发酵
PHAs(聚β－羟基烷酸) 细菌产纤维素
发酵+合成 PLA(聚乳酸)
化学合成 PCL－PEL (脂肪族聚脂)
9.1 聚乳酸(PLA)
聚乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解塑料之
一。聚乳酸塑料在土壤掩埋3~6个月破碎，在微生物
PHB含量可达细胞干 重70～80％
② 转基因植物生产 优势：植物自身光合作用制造大量免费合成原料 理想： 极大的降低成本，目前尚在开发之中
块
油
茎
料
块
种
根
子
植
植
物
物
(2) 应用领域
由于价格问题，应用限于高附加值领域。
Razor
Shampoo bottle Surgical sutures
是一种热塑性结 晶型聚酯 ,熔点 为80℃ ,可在 200℃以上加工 , 且与多种聚合物 有较好的相容性， 完全可生物降解。
变性
淀粉
掺混
9.5 国内可降解塑料生产现状
化工
合成
聚己
内酯
为主
具体共聚方法和参考相关资料
乳酸 分离
乳酸 聚合
新技术 开发催 未公开！ 化剂
(2)世界聚乳酸生产进展
(3)聚乳酸的应用
由于目前价格较高， 但无生物排异现象， 故主要用于医学领域
伤口缝合线 骨折后“可降解钢板” 药物体内缓释胶囊 随着价格下降逐渐向
日化包装、食品包装、 农膜等领域发展。
9.2 聚β－羟基烷酸(PHAs)
分解酶作用下，6~12个月变成乳酸，最终变成CO2和
H2O。
乳酸生物合成+人工聚合＝PLA
？ COOH 酸
脂化反应
H C OH 醇
乳酸单体彼此发生酯化反应
CH3
H3CH3OCH3CO OHH3C3CO O
乳酸
HO HOC OCC OCCH HOCO CCOC COHOH
聚乳酸乳(聚酸H丙二2交O聚脂体) n
细菌发酵
转基因植物种植
① 细菌发酵
以淀粉、葡萄糖、蔗糖、甲醇等各种原料，产碱菌 (Alcaligenes)、转基因大肠杆菌限氮磷流加式分批发酵 生产
成本高：15$/kg(合成塑料1 $/kg)
目前攻关方向：进一步提高原料
转化率，缩短发酵周期；进一步提 高细胞浓度；进一步提高产品提取 收率；进一步提高聚合物质量等。
什么是塑料？
污染范围广、污染物增长速度快(积累2500 万吨/年)、处理难度大、回收利用不易
普通塑料是以合成树脂和配料混合加热而成的物质。
占96％以上
按其性质可分成热塑性树脂和热硬性树脂两大类 .热塑性树脂都 具有受热后软化的性质 ,如聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚苯乙烯 (PS)、和聚氯乙烯 (PVC) ；热硬性树脂在受热时不会变软 ,如酚 醛树脂 ,三聚氰胺甲醛树脂 ,聚氨基甲酸乙脂等。
多种细菌体内合成的的碳 源、能量储备物
脂代谢—乙 酰辅酶A
R
O
O CH CH2 C
n
PHAs 通式
R为甲基~壬基等，不同单体聚合种类有100种以上 其中最常见的R为甲基，即聚β－羟基丁酸(PHB) 另一种常见的PHAs为PHBV（两种单体，R分别为
甲基(HB)和乙基(HV)）
(1)工业生产方式
共性：耐酸碱、抗氧化、耐腐蚀、难降解（埋地百 年也不烂）
环境问题：白色污染、 不可再生石油资源的浪费
该问题的解决出路—可降解塑料的开发
1光可降解 塑料
原理：受日光照射时，光敏剂（铁
钴镍铜等的络合物及芳香族化合物等）
吸收紫外线而分解放出活性自由基迅
可 降
2高填充碳酸
速攻击塑料大分子，聚合物被切断成 深圳绿维 多个较小分子同时被氧化生成-
解 钙(＜35％)降 塑 解塑料
COOH和-CO-，这些较小分子继续被 自由基攻击而进一步变小，随着分子 量降低，制品会迅速变脆，逐渐崩解
料 3生物可降
成小碎片、小颗粒，当其分子量降至 1000以下时易于被微生物食用而消化。 （弊端：需光照120d,填埋则失效）
解塑料
原理：碳酸钙中的（C＝O）光敏基团利于塑料
(1)聚乳酸生物合成
生物糖代谢酵解产物丙酮酸乳酸发酵的产物（参阅《生
物化学》糖代谢内容）
工业上一般以乳酸杆菌(lactobacillus)属发酵生产乳酸
酸奶
酸菜 保健品
降低百度文库酸生产成本是关键！
如何做呢？ 培养
菌种选育
诱变、基 因改造出 高产乳酸
菌
1.廉价原料 如食品废料 或玉米淀粉
2.最佳反应 条件及反应 器选型
光降解；同时有利于塑料充分焚烧；有利于中和
4 前3种的不 尾气中酸性组分（如SO2、NOx)；节约石油原料。
同掺混
（弊端：填埋则失效）
生物 可降 解塑 料
部分可降 解塑料
完全可降 解塑料
彻底消除 白色污染 并节约石 油资源的 根本出路
PE/淀粉
“/”掺混
普通塑料/PCL(聚己内酰胺)
国内 水平
变性淀粉
天然淀粉
9.3 变性淀粉
详见有关文献
改性方法众多，生物 降解塑料领域主要使 用热塑性变性、抗水 性变性
方法：
热塑—加入多元醇、 水等增塑剂物理变性 或与丙烯酸酯共聚接 枝化学变性；
抗水—淀粉醋酸酯化
9.4 聚己内酯（PCL (ＣＯＯ—(ＣＨ2)5 ) ｎ ）
PCL由 ε-己内 酯经化学合成 开环聚合反应 而得
淀粉/PVA(聚乙烯醇) 自然成分 淀粉/ PCL
壳聚糖/ 纤维素
纯发酵
PHAs(聚β－羟基烷酸) 细菌产纤维素
发酵+合成 PLA(聚乳酸)
化学合成 PCL－PEL (脂肪族聚脂)
9.1 聚乳酸(PLA)
聚乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解塑料之
一。聚乳酸塑料在土壤掩埋3~6个月破碎，在微生物
PHB含量可达细胞干 重70～80％
② 转基因植物生产 优势：植物自身光合作用制造大量免费合成原料 理想： 极大的降低成本，目前尚在开发之中
块
油
茎
料
块
种
根
子
植
植
物
物
(2) 应用领域
由于价格问题，应用限于高附加值领域。
Razor
Shampoo bottle Surgical sutures
是一种热塑性结 晶型聚酯 ,熔点 为80℃ ,可在 200℃以上加工 , 且与多种聚合物 有较好的相容性， 完全可生物降解。
变性
淀粉
掺混
9.5 国内可降解塑料生产现状
化工
合成
聚己
内酯
为主
具体共聚方法和参考相关资料
乳酸 分离
乳酸 聚合
新技术 开发催 未公开！ 化剂
(2)世界聚乳酸生产进展
(3)聚乳酸的应用
由于目前价格较高， 但无生物排异现象， 故主要用于医学领域
伤口缝合线 骨折后“可降解钢板” 药物体内缓释胶囊 随着价格下降逐渐向
日化包装、食品包装、 农膜等领域发展。
9.2 聚β－羟基烷酸(PHAs)
分解酶作用下，6~12个月变成乳酸，最终变成CO2和
H2O。
乳酸生物合成+人工聚合＝PLA
？ COOH 酸
脂化反应
H C OH 醇
乳酸单体彼此发生酯化反应
CH3
H3CH3OCH3CO OHH3C3CO O
乳酸
HO HOC OCC OCCH HOCO CCOC COHOH
聚乳酸乳(聚酸H丙二2交O聚脂体) n
细菌发酵
转基因植物种植
① 细菌发酵
以淀粉、葡萄糖、蔗糖、甲醇等各种原料，产碱菌 (Alcaligenes)、转基因大肠杆菌限氮磷流加式分批发酵 生产
成本高：15$/kg(合成塑料1 $/kg)
目前攻关方向：进一步提高原料
转化率，缩短发酵周期；进一步提 高细胞浓度；进一步提高产品提取 收率；进一步提高聚合物质量等。