CN102510796A - 聚酯颗粒的提取及纯化 - Google Patents

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Abstract

一种从含聚酯的生物质中回收聚酯的方法。该方法包含：将该生物质喂给一种动物，该动物排泄含有聚酯的粪粒，并从粪粒中分离出聚酯。

Description

聚酯颗粒的提取及纯化
技术领域
本发明涉及一种聚酯颗粒，特别是细胞生物质中的聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的提取及纯化的方法。进一步地，本发明涉及一种利用了合适的动物的消化系统的自然环保的工艺提取及纯化PHA及其它聚酯颗粒的方法。
背景技术
毋庸置疑，塑料是人类发明的最有用的一种材料。对塑料的应用广泛存在于我们的现代生活，因为其具有多样的材料性能，经久耐用，重量轻，易于加工，成本低且很惰性。日用塑料是从石化资源中生产的，这种资源是不可再生的，总有耗尽的一天。此外石化塑料不能被生物降解，因此不能被我们的自然生物系统吸收。为了解决上述问题，同时充分意识到塑料在现代生活中的重要性，人们对能由可再生资源生产且能被生物降解的塑料的兴趣日益增长。
PHAs和聚乳酸(PLA)是具有热塑性的生物可降解和生物源塑料的两个例子。关于这两种生物源聚酯的研究有很多。许多自然界中存在的微生物能够在碳源过剩的情况下生产PHAs，并以非水溶性颗粒的形式在细胞质中富集。利用基因工程技术能够构建有能力生产各类PHA的重组微生物和转基因植物。最近，研究也发现重组的细菌细胞能同时产生PHAs和PLA。
PHAs生产的一个主要挑战是细胞生物质中PHAs的提取和纯化。通常可以将细胞生物质直接用带或不带酶预处理的高氯酸钠、氢氧化钠(或氢氧化钾)和酸的混合物(如盐酸或硫酸)处理，水解细胞壁，释放出的PHA颗粒，再以浓缩和干燥方式获得。另一种方法是直接使用对PHA有特别好的溶解性的混合溶剂处理细胞生物质。然后将溶解了PHA的溶剂加入一个非溶剂中使得PHA析出，再将之回收，干燥。后一种方法能够获得非常高分子量的PHA，而前一种方法，由于酸或碱降解了部分PHA，获得的是低分子量的PHA。这两种方法都很繁琐且花费较高，也不够环保。所采取的提取工艺使得原本是环保的PHAs成本高于石化塑料。此外，这些工艺需要消耗能量，导致二氧化碳排放以及其它由酸、碱、化学物质和溶剂造成的环境污染。
目前有一些现有技术公开了一些从生物质中提取和回收PHAs的方法，但都依赖于溶剂和/或化学物质的使用，不环保。
美国专利No.US2006105440公开了一种通过从含有分子量大于2,000,000的PHA的生物质中提取、分离和纯化PHA以生产PHA的方法。该生物质在加入非极性有机溶剂前被从40℃加热到500℃。加入非极性有机溶剂后可进一步从40℃加热到200℃。非极性溶剂可以与水和/或醇一起使用。此方法提取PHA可操作性强，但还是需要处理非极性有机溶剂。
另一个美国专利No.US2005222373也披露了一种生产PHA晶体的方法。该方法在50℃到130℃范围内，将溶解在良溶剂中的PHA溶液和不良溶剂混合以析出PHA。通过这种方法能够生产出通常难以获得的具有流动性的PHA晶体。但是，这个方法仍然使用了溶剂提取策略，因此也需要特别的化学物质。
美国专利No.US5918747也公开了一种用从生物源材料中获得的离心组分来回收PHAs的工艺。该工艺包括粉碎在液体中的生物源材料，离心分馏生物源材料形成固-固分离以从生物源材料的其他组成部分中区分出PHA并予以回收。虽然加入了离心步骤促进了固-固分离，但是还是需要如氯化碳溶剂和有机溶剂一类的化学物质作为液体。
美国专利US5849854公开了一种使用气流分级法回收PHA的工艺。该方法包括粉碎生物源材料，气流分级生物源材料以使PHA颗粒和其它物质分离，且回收PHA。该工艺仍需一个合适的液体，且获得PHA前还需要几个分馏步骤。
PCT专利WO2006103699公开了一个使用市售的细胞裂解放线菌培养的细菌中提取PHA的工艺。在放线菌培养基加入到细菌培养基中之前，PHA的生产菌先被培养2至3天且加热到50℃到80℃范围。从一种和水不能混溶的溶剂中或表面活性剂和螯合剂中回收PHA。
现有技术中公开的技术大多基于溶剂萃取法且需要各种复杂的技术。基于上述情况，显然是需要一个简单、自然和经济的从生物质中回收PHAs和其他聚酯材料的工艺。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种简单的、革新性的从生物源中提取和纯化PHAs及其它聚酯的方法。
本发明的另一个目的是发展一种从细菌细胞中提取和纯化聚酯颗粒，尤其是PHAs的方法，该方法无需使用有机溶剂，完全自然、环保且节约成本。
本发明的还有一个目的是提供一种利用合适的动物的消化系统回收聚酯颗粒的方法。
本发明至少全部或部分达到前述一个目的，本发明实施例描述了一种从含聚酯的生物质中回收聚酯的方法。该方法包含：将含PHA的生物质喂给一种动物，该动物排泄含有聚酯的粪粒，从粪粒中分离出聚酯。
在本发明的一个实施例中，聚酯颗粒尤其指PHAs或PLA。进一步的，PHAs是指聚3-羟基丁酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基戊酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基己酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-4-羟基丁酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基戊酸酯-合-3-羟基己酸酯，聚3-羟基己酸酯-合-3-羟基辛酸酯-合-3-羟基癸酸酯-合-3-羟基十二烷酸酯-合-3-羟基十四酸酯以及以上任何两种或更多种的组合。
本发明另一实施例公开了该生物质来自一个含聚酯，尤其是PHAs的有机体。优选地，该生物质来自植物，藻类，蓝藻，细菌或以上任何两种或更多种的组合。
本发明还有一个实施例指出，该动物是一种啮齿动物，山羊、绵羊、牛、鸟或一种水生生物。
本发明的一个进一步的实施例公开了一种从含有聚酯的生物质中回收聚酯的方法，该方法中还包含一个在喂养动物之前将该生物质加入动物饲料配方中的步骤。优选地，该生物质在加入动物饲料前进行热处理。
本发明的另一个进一步的实施例公开了一种从含有聚酯的生物质中回收聚酯的方法。该方法中还包含一个纯化从粪粒中得到的聚酯的步骤。这些聚酯可以通过从粪粒非水溶性的含聚酯成分中去除水溶性成分的方式得到纯化。
本发明还有一个进一步的实施例公开了一种从含有聚酯的生物质中回收聚酯的方法。该方法中还包含一个干燥回收的聚酯的步骤。根据本发明的优选实施例，聚酯干燥后还可以进行一个制丸步骤。
本领域技术人员将会领会到本发明非常适用于实现所述目的，且能获得所提及以及所固有的效果和优点。本发明的范围并不限于所述的实施例。
附图说明
为了促进对于发明的理解，附图对优选实施例进行说明，通过附图及其相关说明，本发明，其结构和操作以及很多优势，将更容易被理解和领会。
图1展示了本发明其中一个优选实施例中使用的细菌细胞的一个例子：一种钩虫贪铜菌(Cupriavidus necator)细胞，分别在培养早期(a)，临近收获前(b)，以及冷冻干燥后(c)的形态。培养和收获的图像是使用一个放大1000倍的相差光学显微镜看到的图像，而冷冻干燥细胞的图像是用一个数码相机拍摄的。
图2是老鼠粪粒的形态和PHAs含量，该老鼠是如本发明中一个优选实施例中所述的用于回收PHAs用到的一种动物，所消耗的冷冻干燥细胞如图1所示。
具体实施方式
本发明涉及一种聚酯颗粒，特别是细胞生物质中的聚羟基脂肪酸酯(PHA)的提取及纯化的方法。特别地，本发明涉及一种使用了合适的动物的消化系统的自然环保的方法提取及纯化PHA及其它聚酯颗粒的方法。
以下，本发明应根据本发明的优选实施例和所附的说明书和附图来描述。但应认识到，限于本发明的优选实施方案和图纸的说明仅仅是为了便于讨论本发明。显而易见，本领域技术人员能够作出一些不超出所附权利要求范围的多种修改。
本发明公开了一种从含聚酯的生物质中回收聚酯的方法。该方法包含：将该生物质喂给一种动物，该动物排泄含有聚酯的粪粒，从粪粒中分离出聚酯。
本发明所公开的方法是用于提取和纯化非水溶性聚酯的完全天然的生物方法。本方法主要是利于了一种合适动物的消化系统来回收聚酯，完全不需要化学物质或溶剂。因此，所获得的PHAs是真正以生物为基础的，环保的和经济可行的聚酯材料。
本领域技术人员应领会到所用的生物质来自一种含有聚酯尤其是PHAs的有机体。这些有机体能够自然的生产和富集PHAs。优选的，该有机体来自植物，藻类，蓝藻，细菌或以上任何两种或更多种的组合。PHAs的工业规模生产涉及在生物反应器中培育大量的微生物，如细菌或蓝藻细胞等。最好给这些细胞供应用于合成PHAs的生长营养物质及碳源。在一个典型的发酵过程中，细胞所富集的PHA可高达细胞干重的80％。可用于PHAs合成的碳源包括糖(例如果糖)，蔬菜油(如豆油，棕榈油)以及其它底物在农产品加工业中的副产品。发酵过程大约需要36至60小时，然后离心收集细胞，或让沉积物自然进入一个浓缩的细胞生物质。
本发明中，含聚酯的细胞生物质能够直接喂给合适的动物。根据本发明的实施例，该方法可以进一步包括一个在喂养动物之前将该生物质加入动物饲料配方中的步骤。首先，细胞生物质被用作饲料的一个组分，该生物质可以是一个典型的微生物发酵过程产生的湿细胞糊。该细胞生物质应该优选为一种给动物的营养物质(蛋白和脂肪)，理想的情况下应该是含有PHAs的单细胞蛋白(SCP)。优选地，在加入动物饲料前对该生物质进行热处理。这种制定的动物饲料除了浓缩的湿细胞糊，还可以包含淀粉和豆粕。这种混合物可以被挤压成干颗粒后喂给动物。
根据本发明的一个优选实施例，合适的动物应该是一种啮齿动物，山羊、绵羊、牛、鸟或一种水生生物。然而，本发明不打算限制使用其他可用的合适的动物，只要该动物在食用含PHAs或其它聚酯的日常饮食或定制的动物饲料后能够分泌含PHAs或其他聚酯颗粒的粪粒。
合适的动物的消化系统能够使用在消化道中的各种酶水解生物质。这些酶可以选择性的水解蛋白质，脂类和碳水化合物，生成包括氨基酸、脂肪酸、葡萄糖在内的水溶性小分子，并最终作为营养物质被机体吸收。如PHAs之类不能水解的物质将被排泄。这些动物的消化道可能含有能够选择性水解PHAs的酶的微生物，但是由于含PHA的细胞在动物的消化道的停留时间太短，PHA不会发生显著的水解。
水解过程从细胞生物质中释放非水溶性的聚酯颗粒。细胞中的脂类和碳水化合物水解后被该动物的消化道自动吸收。同时，不溶于水的聚酯颗粒，如PHAs原封不动，因为该动物的消化道中没有合适的酶能够水解该类颗粒。由于颗粒通过动物的消化道，该颗粒被自然浓缩以粪粒的形式排出体外。因此，粪粒中含有丰富的PHA或其他聚酯颗粒。
随后，在合适的动物食用含PHA或聚酯颗粒的第二天一早尽早收集粪粒。根据动物类型和粪粒分布的环境不同，从粪粒中纯化PHA或聚酯颗粒的过程可以由1天到6个月以上不等。例如PHA含量超过80wt％的老鼠的粪粒可以保存几年，再进行后续的处理步骤。
收集的颗粒在某些应用中可以作为塑料树脂直接使用，例如农膜和育苗袋。如果需要高纯度的PHAs或聚酯颗粒，颗粒可通过匀浆、用冷水或热水冲洗进一步的提纯，水洗过程可以除去其中的水溶性物质。最后，洗过的PHA颗粒是白色的、纯的，可以通过过滤，离心和/或沉淀等各种方法回收。这种洗涤过程可以根据使用的动物类型、粪便中PHA颗粒的浓度，以及最终PHA的应用方式进行修改。
根据本发明的一个进一步的实施例，还可以对回收的聚酯进行一个干燥过程。干燥后可以是一个制丸步骤。整个提取和纯化的过程，可在室温条件下进行。这个过程也可以进一步结合传统的溶剂和或/化学提取及纯化工艺，去除可能仍然与PHA颗粒共存的痕量蛋白质和脂类。在这种情况下，与只依靠溶剂和/或化学物质的方法相比，所使用的溶剂和/或化学物质的用量将大大降低。
本方法回收获得的聚酯颗粒种类主要是PHAs或PLAs。进一步的，PHAs是聚3-羟基丁酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基戊酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基己酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-4-羟基丁酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基戊酸酯-合-3-羟基己酸酯，聚3-羟基己酸酯-合-3-羟基辛酸酯-合-3-羟基癸酸酯-合-3-羟基十二烷酸酯-合-3-羟基十四酸酯以及以上任何两种或更多种的组合。
PHAs的提取和纯化后的分析显示，所公开的方法能够实现PHA的含量按重量百分比计达50％到95％。
目前公开的内容包括所附的权利要求及上述描述。本发明根据其优选形式的描述有一定的特殊性，然而，可以理解的是目前公开的优选形式只是通过举例的方式，在施行的细节、各部分的组合和安排上可以作出不偏离本发明的范围的许多变化。
实施例
以下提供实施例说明本发明的不同方面和优选实施方式。由于实施方式在不偏离本发明的意思和范围内可有许多变化，所给例子仅限于说明本发明，不作为本发明的限制范围。
实施例1
用于生产PHA的菌株是C.necator H16。选择C.necator H16是因为它是一个已被广泛使用的菌株，且没有迹象显示其有致病性。此外，该菌株在20世纪70年代被最早开发为单细胞蛋白(SCP)来源。C.necator H16在30℃下富营养型(NR)培养基中培养24小时，为接种准备的培养基列于表1。
表1
  材料   重量
  蛋白胨   10g/L
  肉类提取物   10g/L
  酵母提取物   2g/L
预培养在30℃下富营养型(NR)培养基中进行12-24小时，3％(v/v)的接种物被转入在30℃温育的矿物盐培养基(MM)。1L矿物盐培养基(MM)通过将2.8克KH2PO4，3.32克Na2HPO4和0.54克尿素加入蒸馏水制备。用于生物合成聚3-羟基丁酸酯[P(3HB)]的培养基列于表2.
表2
  材料   重量
  尿素   4g/L
  Na2HPO4   3.32g/L
  KH2PO4   2.8g/L
  CPKO   40g/L
  NH4OH   60mL
  MgSO4.7H2O   2.1g/L
  微量元素   1.5ml/L
加入矿物盐培养基(MM)的微量元素见表3。微量元素溶液的构成成分通过0.1N的盐酸测量。油类随后单独高压灭菌并添加到MM中。在60小时的培养结束时，通过以10,000g转速离心10分钟并冻干来收集细胞。
表3
  材料   重量
  CoCl2.6H2O   0.22g/L
  FeCl3   9.7g/L
  CaCl2   7.8g/L
  NiCl2.6H2O   0.12g/L
  CrCl3.6H2O   0.11g/L
  CuSO4.5H2O   0.16g/L
表4显示了C.necator细胞从两种类型的棕榈油中生产的P(3HB)。该细胞在30℃培养60小时，冻干，直接用作动物饲料。本实施例通过冻干方式回收PHA，本实施例中回收的P(3HB)含量也显示在表4内。
表4
Figure BPA00001496669300081
图1显示富集PHA颗粒前后C.necator细胞的变化。含有大量PHA的细胞较丰满，细胞内可见透明颗粒。当用棕榈油作为唯一碳源的无机盐培养基培养细胞时，冻干细胞具有片状形态，带有水果气味。
然后将冻干细胞量化，并定量置于培养皿中由家鼠自行消耗。安装网络摄像头以监测和确认，冻干细胞确实是被老鼠吃掉的。这个实验持续6至12个月。实验结果发现，大鼠对该冻干细胞有高度兴趣。
收集在喂食地点附近各处的大鼠粪粒。这些粪便颗粒通常是白色或灰褐色的，很容易被发现。对所收集的粪便颗粒进行各种分析，证实其中含有按重量计50-100％的PHA。图2显示消耗了含有P(3HB)的冻干细胞的老鼠的粪粒的成分。

Claims (11)

1.一种从含聚酯的生物质中回收聚酯的方法，该方法包含：将所述的生物质喂给一种动物，该动物排泄含有聚酯的粪粒；以及从粪粒中分离出聚酯。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述聚酯颗粒是指聚羟基脂肪酸酯或聚乳酸。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述聚羟基脂肪酸酯是聚3-羟基丁酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基戊酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基己酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-4-羟基丁酸酯，聚3-羟基丁酸酯-合-3-羟基戊酸酯-合-3-羟基己酸酯，聚3-羟基己酸酯-合-3-羟基辛酸酯-合-3-羟基癸酸酯-合-3-羟基十二烷酸酯-合-3-羟基十四酸酯以及以上任何两种或更多种的组合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物质来自植物、藻类、蓝藻、细菌或以上任何两种或更多种的组合。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动物是一种啮齿动物，山羊、绵羊、牛、鸟或一种水生生物。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：在喂养动物之前将所述生物质加入动物饲料配方中的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述生物质在加入动物饲料前经过热处理。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含纯化从粪粒中得到的聚酯的步骤。
9.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述聚酯通过从粪粒非水溶性的含聚酯成分中去除水溶性成分的方式得到纯化。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包含：干燥回收的聚酯的步骤。
11.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包含：干燥后的聚酯制丸的步骤。
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