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生物合成聚羥基烷酯製程整合研究

【研究發展處 孫一明研發長提供】

Cupriavidus taiwanensis strain 184累積PHA之穿透式顯微鏡觀察,菌體生長於利用gluconic acid為碳源培養48小時,累積之PHA含量約為70%。

重組大腸桿菌(Recombinant E. Coli)利用 Cupriavidus taiwanensis strain 184之PHA synthesis genes 累積PHA之穿透式顯微鏡觀察, 菌體生長於利用glucose為碳源培養48小時,累積之PHA含量約為60-70%。

前言  

  近年來原油價格快速上揚以及人類對地球持續暖化現象的關注,導致傳統以石化原料為來源的塑膠現今正面臨兩個重要的挑戰與危機:石化原料日漸短缺價格高漲以及不易分解導致環境污染。相較於傳統石化塑膠,生物高分子具有許多優勢,包括其來源為源自於自然界之再生資源,及優越之生物可分解性。其中聚羥基烷酯(polyhydroxyalkanoates, PHAs)乃是許多細菌或真菌在過量碳源或缺少某些營養素時(譬如氮、磷、硫時),用以儲存碳源的細胞內高分子聚合物(Fig. 1 and/or Fig. 2,可二選一)。由於PHAs可由不同的單體組成(超過150種),因此可根據不同的單體組合來改變其物性與化性,提供了PHAs作為取代傳統塑膠一個可行替代資源之契機。 重組大腸桿菌(Recombinant E. Coli)利用 Cupriavidus taiwanensis strain 184之PHA synthesis genes 累積PHA之穿透式顯微鏡觀察, 菌體生長於利用glucose為碳源培養48小時,累積之PHA含量約為60-70%。

研發特色

  生質材料又名生物高分子(bio-based polymers),利用生生不息的天然資源,如微生物、動物或是植物為來源的聚合物,為一種生物可分解性材料,可提供為對環境友善的塑膠材料,以替代自化石燃料中提煉的石化塑膠高分子。因其生物相容性高,可以應用於生醫工程、組織工程的材料,或是添加於藥妝產品中,例如膠原蛋白、基丁質或透明質酸等。生物可分解材料目前商業化產品以聚乳酸(poly-lactic acid; PLA)及澱粉類基材分子為主,此類產品技術已達成熟階段,然而因其部份物理性質相較於其他塑化材料仍有很大的改善空間。而藉由微生物醱酵工程技術及生化工程技術,可以自細菌獲取各種不同形式的PHAs,經過適當的加工,所製成的聚合物可具有與塑膠相近的性質與強度,已成為近幾年來產業界及學術界發展與研究的標的。

  由於PHA 兼具良好的生物相容性、生物可分解性和塑膠的熱加工性能, 因此可作為生物醫用材料和可分解包裝材料。對PHAs 研究獲得的資訊證明, 生物合成新材料的能力幾乎是無限的, 今後將有更多的PHAs 被合成出來, 並帶動生物材料特別是生物醫學材料的發展。由於PHAs 還具有非線性光學活性、壓電性、氣體阻隔性等許多高附加值性能, 使其除了在醫用生物材料領域之外, 還可在包裝材料、粘合材料、噴塗材料和衣料、器具類材料、電子產品、耐用消費品、化學介質和溶劑等領域得到廣泛應用。

研究團隊

  元智大學生物高分子研究團隊,為一整合化學工程與材料科學系以及生物科技與工程研究所之跨領域研究團隊,本團隊經由業界與國科會研究經費的支持,已在PHA生產及相關主題進行了將近五年的研究工作。目前本團隊在此領域之不同個別單元已建立完整的實驗室規模生產程序,且亦開發並收集了許多在工業生產上極具潛力的菌株。根據這些經驗與成果,本計畫擬規劃整合PHA生產程序,建立PHA試量產先導工廠,並進一步開發其穩定量產之生產製程。

未來展望

  本團隊經由前期計畫結合企業力量在國科會支持下,研究開發PHA製程技術已達到世界水準。本團隊開發PHA產品,現階段生產成本仍然過高為產品發展與應用最不利因素,然而除了有產業界的支持及本團隊擁有完整的技術平台,面對中國及歐美等國威脅亦不容忽視,因此現階段更極需國家支持以產官學共同合作建立工業化量產標準製程,為我國永續發展及促進產業發展盡一份心力。

 純化後PHA高分子之高分子樣品與壓制成膜片的照片:http://www.yzu.edu.tw/e_news/562/user-image/phb.pdf

   
 

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