[发明专利]用微生物生产聚羟基烷酸酯类的方法

说明书

1.发明领域

本发明涉及用于从包含各种微生物的天然来源选择产生聚羟基烷酸酯(PHA)的微生物的方法。本发明还涉及用于通过这样的选定的微生物生产PHA的方法。

2.现有技术

通过聚合有机单体、最常见的是来源于石油化学制品的单体制造塑料。然而，油正在变得稀有，塑料生产促成了温室气体排放和气候改变，以及进而塑料在环境中的大量蓄积，它们对于天然降解而言非常难以应对，代表了显著的担忧。因此，已经研发了生物塑料的生产方法作为替代。这些可替代方法之一涉及用微生物生产基于生物的聚合物，如聚羟基烷酸酯类(PHA)，它们随后可以用作生物塑料生产的原料。产生PHA的微生物包括野生型天然PHA生产者(例如钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator))；重组生物体，例如修饰的大肠杆菌(E.coli)；乃至微生物聚生体，例如存在于生物废水处理系统中的那些。

在不平衡的生长条件下，细菌通过合成PHA储存过量的胞内备用形式的碳。胞内PHA颗粒随后可以用作细胞的碳和能量来源。可以通过设定相对于细胞生长速率过量的碳摄取流量、导致营养或电子受体限制或胞内生长需求缺乏(暴露于长期饥荒期限后)生成这样的不平衡条件。

PHA属于羟基烷酸酯单体的直链聚酯类的家族，所述羟基烷酸酯单体根据其组成展示出不同的和有意义的热和机械特性。特别地，PHA组合物显著地依赖于用作PHA蓄积的底物的碳源和细菌菌株。其中，它们是热塑性的、延伸性的、或多或少弹性的、UV稳定的且显示对于水和空气的低渗透。因此，PHA看来是用于替代常用的聚烯烃类如聚丙烯的极为富有希望的解决方案。

生物塑料可以被定义为基于生物的，即由可更新的和天然的原料制成；和/或可生物降解的塑料。一些目前可利用的生物塑料是基于生物的，但不可生物降解(例如基于淀粉的具有石油化学衍生的接枝物的聚合物)，然而也存在基于合成的聚合物，可以修饰它们以满足生物降解性标准。PHA具有基于生物的和可生物降解的优点，由此能够用于闭环生产-利用-处理生命周期。

此外，当它们既是基于生物的，又是可生物降解的时，PHA允许短的产品生命周期：这对于单一应用而言是理想的，其中产品被污染(例如废物收集)；或直接接触天然环境的应用。其生产可以被视为可持续的。由于所有这些原因，PHA引起了学术界和化学工业的巨大关注。

迄今为止已经提出了两个主要策略用于微生物PHA生产并且可以将其分类为：

-使用野生型或遗传修饰的有效生产PHA的菌株的纯培养系统和通常高成本的单一碳底物(例如葡萄糖、蔗糖或玉米浆)的工业化生物技术方法；和

-使用混合的培养系统或由不同微生物菌株组成的微生物聚生体的环境生物技术方法，所述微生物选自天然来源以富含在储存PHA的生物体中。这些菌株能够在预处理阶段后利用复杂的原料(例如工业废弃物和副产物，特别是液体流出物形式)。通常，预处理阶段是产酸的发酵步骤，以便在挥发性脂肪酸(VFA)中富含流出物，VFA是用于PHA储存的足够的前体)，作为用于PHA蓄积的碳来源。

纯培养系统的一个实例公开在专利申请US-5871980-A中。该申请涉及通过在补料分批反应器中培养富养产碱菌(Alcaligenes eutrophus)来生产PHA的方法。不连续补料分批方法通常包括两个连续的期：

1)用于细胞生长最大化的期(在无限制生长条件下)，以便增加细胞密度和由此使产率最大化；

2)用于在限制性营养条件下PHA蓄积的期。

根据这种技术，在无菌条件下培养细菌，以防止接种的非PHA产生菌株污染且由此使在底物上的PHA产率、PHA含量最大化并且还可以控制PHA质量。实际上，非储存生物体的污染将会导致底物消耗中的竞争，所得到的每一生物质中的最终PHA比例的稀释以及产生的PHA的异质性。在该对比文件中，C/P重量比在生长期间为40-100，并且在蓄积阶段期间为300–600。