聚乳酸微生物降解机理

一、实验目的1. 了解生物可降解塑料的制备原理及方法。

2. 掌握生物可降解塑料的性能测试方法。

3. 分析不同生物可降解塑料的性能差异。

二、实验原理生物可降解塑料是指在微生物作用下能够降解的塑料，具有生物相容性、生物降解性、环境友好等特点。

制备生物可降解塑料主要采用微生物发酵、生物转化等技术，将可再生资源转化为塑料。

本实验以聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）为研究对象，分别进行制备与性能测试。

三、实验材料与仪器1. 实验材料：玉米淀粉、葡萄糖、脂肪酸、微生物发酵菌种等。

2. 实验仪器：发酵罐、离心机、干燥箱、万能试验机、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪等。

四、实验方法1. PLA制备（1）将玉米淀粉与葡萄糖按一定比例混合，加入一定量的微生物发酵菌种，置于发酵罐中进行发酵。

（2）发酵完成后，将发酵液离心分离，收集上清液。

（3）将上清液进行浓缩、干燥，得到PLA粗产品。

（4）对PLA粗产品进行提纯、干燥，得到PLA纯产品。

2. PHA制备（1）将脂肪酸与微生物发酵菌种按一定比例混合，置于发酵罐中进行发酵。

（2）发酵完成后，将发酵液离心分离，收集上清液。

（3）将上清液进行浓缩、干燥，得到PHA粗产品。

（4）对PHA粗产品进行提纯、干燥，得到PHA纯产品。

3. 性能测试（1）PLA性能测试- 热稳定性测试：采用差示扫描量热法（DSC）测定PLA的玻璃化转变温度（Tg）和熔点（Tm）。

- 机械性能测试：采用万能试验机测定PLA的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度等。

- 光学性能测试：采用扫描电镜观察PLA的微观形貌。

（2）PHA性能测试- 热稳定性测试：采用DSC测定PHA的Tg和Tm。

- 机械性能测试：采用万能试验机测定PHA的拉伸强度、断裂伸长率、弯曲强度等。

- 光学性能测试：采用扫描电镜观察PHA的微观形貌。

五、实验结果与分析1. PLA性能分析PLA的Tg为55-60℃，Tm为180℃，具有良好的热稳定性。

聚乳酸材料介绍聚乳酸是一种生物可降解的高分子材料，其化学名称为聚乳酸酯（PLA），是由乳酸分子经过聚合反应而成。

它具有优异的物理、化学和机械性能，同时还具有良好的生物相容性和可降解性，被广泛应用于医疗、食品包装、纺织等领域。

聚乳酸材料的物理性质聚乳酸是一种无色透明的高分子材料，在常温下为固体。

它的密度约为1.25 g/cm³，熔点在165-175℃之间。

聚乳酸具有良好的耐热性和耐候性，在高温下也不易变形或变色。

此外，它还具有一定的透光性和柔软性。

聚乳酸材料的化学性质聚乳酸是一种相对稳定的高分子材料，在常规条件下不会发生明显的化学反应。

但在强碱或强酸环境下，聚乳酸会发生水解反应，并最终分解成二氧化碳和水。

这使得它成为一种非常环保的材料，可以有效地减少对环境的污染。

聚乳酸材料的机械性能聚乳酸具有较高的强度和硬度，可以用于制造各种机械零件和工业用品。

它还具有良好的抗拉伸性、弯曲性和冲击性能，在一定程度上可以代替一些传统材料。

此外，聚乳酸还具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，可用于制造化学容器、医疗器械等。

聚乳酸材料的生物相容性由于聚乳酸是一种天然产物，因此它具有良好的生物相容性。

在人体内分解时，它会被分解成二氧化碳和水，并被人体代谢掉。

这使得聚乳酸成为一种理想的医疗材料，在制造缝合线、支架、修复组织等方面应用广泛。

聚乳酸材料的可降解性聚乳酸是一种生物可降解的高分子材料，在自然界中会被微生物分解成二氧化碳和水。

这使得它成为一种环保的材料，可以有效地减少对环境的污染。

此外，聚乳酸还可以通过物理方法（如加热）或化学方法（如水解）来分解，从而实现回收再利用。

聚乳酸材料的应用由于聚乳酸具有良好的物理、化学和机械性能，以及优异的生物相容性和可降解性，因此被广泛应用于医疗、食品包装、纺织等领域。

在医疗领域中，聚乳酸被广泛用于制造缝合线、支架、修复组织等医疗器械。

它具有良好的生物相容性和可降解性，在人体内不会产生任何不良反应。

聚乳酸技术1.引言聚乳酸是一种用途广泛的、生物可降解脂肪族聚酯，它来源于100%的可再生资源，如：棉花、甜菜。

在很多商品领域，聚乳酸有很大的应用前景。

尽管聚乳酸的综合性能优良，但其高昂的成本制约了它的商业竞争力（每磅价格高于2美元）。

直到现在，聚乳酸很少有取代石油基塑料商品应用的成功先例，它的最初应用仅限于医学应用，如：手术缝合线。

1997年，两家大公司宣布合并成立Cargill Dow LLC新公司，致力于聚乳酸的生产和营销上，目的在于减少生产成本，使聚乳酸成为批量生产的塑料。

聚乳酸可以通过乳酸直接缩合和环状二聚体的开环聚合得到（图1）。

由于直接缩合聚合是一个平衡反应，在聚合反应的后期很难出去痕量的水，这限制了最终分子量。

尽管Mitsui Toatsu Chemicals 取得了用高沸点溶剂共沸蒸馏法促进直接酯化过程中水的去除，从而获得高分子量聚乳酸，大部分工作仍集中在开环聚合上。

图1.聚乳酸聚合路线Cargill Dow LLC公司在聚乳酸基聚合物的低成本连续生产过程活得了专利。

该过程在熔体中而不是溶液中综合考虑了合成丙交酯和聚乳酸的实际环境和经济效益，首次得到了基于可再生资源的商业化且实际可行的生物降解聚合物。

该过程从乳酸水溶液制备低分质量聚乳酸预聚体的直接缩合开始（图2）。

然后，采用锡类催化剂提高分子内成环反应速率，将该预聚体转化成丙交酯的不同异图2 聚乳酸预聚体和丙交酯的合成示意图体混合物。

熔融的丙交酯混合物通过真空蒸馏纯化。

最后，在熔体状态下，高分子量的聚乳酸经锡类催化剂催化开环聚合得到，从而完全避免使用价格高昂且环境不友好溶剂。

聚合完成后，所有没有反应的单体在真空下除去，并被用作反应的初始原料（图3）。

图3 聚乳酸的无溶剂合成过程在明尼苏达州，装有一套采用该工艺过程的年产80万磅的生产线。

近来，Cargill Dow LLC公司宣布将在北美于2002年建设年产3000万磅的聚乳酸工厂，并在不久的将来，在欧洲建设另外的聚乳酸工厂。

PLA-聚乳酸简介聚乳酸，英文名称Polylactic acid 或者Polylactide，简称PLA，由生物发酵生产的乳酸经人工化学合成而得的热塑性聚合物，但仍保持着良好的生物相容性和生物可降解性。

不象其他的树脂必须来源于石油，聚乳酸来源于可再生的象玉米、小麦、甘蔗等天然农作物，是一种完全绿色材料，近年来越来越受到全世界的关注。

聚乳酸是由生物发酵生产的乳酸经人工化学合成而得的聚合物，但仍保持着良好的生物相容性和生物可降解性。

具有与聚酯相似的防渗透性，同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度､清晰度和加工性。

并提供了比聚烯烃更低温度的可热合性，可采用熔融加工技术，包括纺纱技术进行加工。

因此聚乳酸可以被加工成各种包装用材料，像农业､建筑业用的塑料型材､薄膜，以及化工､纺织业用的无纺布､聚酯纤维等。

而PLA的生产耗能只相当于传统石油化工产品的20%—50%，产生的二氧化碳气体则只为相应的50%。

聚乳酸有良好的机械性能及物理性能，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。

可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布。

进而加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地面垫等等，市场前景十分看好。

聚乳酸有良好的相溶性和可降解性，在医药领域应用也非常广泛，如可生产一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子量聚乳酸作药物缓释包装剂等。

聚乳酸是一种全新形态的塑料,它来源于自然循环再生的概念，一个和现今传统塑料正好相反的概念，它不是由有限的石化资源（石油）所制成，而是使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。

淀粉原料可经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。

90年代由葡萄糖转成乳酸的制造技术已有重大的突破，聚乳酸生产技术的改进降低了聚乳酸的生产成本。

PLA的合成和分子结构式：聚乳酸的分解：聚乳酸的分解有两个阶段：经水解反应分解之后再靠微生物分解。

乳酸聚合聚乳酸乳酸聚合聚乳酸是一种重要的生物可降解聚合物材料，具有广泛的应用前景。

本文将从乳酸聚合的过程、聚乳酸的性质以及其应用领域等方面进行探讨和介绍。

1. 乳酸聚合的过程乳酸聚合是指通过将乳酸单体在一定条件下进行聚合反应，形成聚乳酸高分子化合物的过程。

乳酸是一种有机酸，具有两个不对称碳原子。

根据乳酸的构型，可以分为L-乳酸和D-乳酸两种异构体。

乳酸聚合主要以L-乳酸为主，其聚合反应可以通过酸催化或金属催化剂参与的方式进行。

2. 聚乳酸的性质聚乳酸是一种可降解的高分子材料，具有很好的生物相容性和生物降解性。

它能够在自然环境中被微生物分解，最终转化为二氧化碳和水。

此外，聚乳酸还具有优异的物理力学性能，如强度高、刚性好、耐热性强等。

由于聚乳酸的性质可调控性强，可以通过改变聚合条件和共聚物添加等方式来调整其性能，满足不同应用领域的需求。

3. 聚乳酸的应用领域由于聚乳酸具有良好的可降解性和生物相容性，被广泛应用于医疗、食品包装、农业和环境等领域。

在医疗领域，聚乳酸可以用于制备可降解的缝合线、骨钉、螺钉等医疗器械。

这些器械在完成任务后可以被人体分解吸收，避免了二次手术取出的痛苦。

在食品包装领域，聚乳酸具有较好的透明度和隔氧性能，可以用于制作食品包装膜、一次性餐具等。

与传统的塑料包装材料相比，聚乳酸包装材料对环境的影响更小，能够有效减少白色污染。

在农业领域，聚乳酸可以用于制备土壤改良剂和植物保护剂等。

这些产品在使用后可以通过降解转化为有机物，对土壤和植物生长环境没有负面影响。

在环境领域，聚乳酸可以用于制备可降解的塑料袋、餐盒等替代品。

这些可降解的产品可以减少塑料垃圾的产生，对环境污染问题具有积极的影响。

乳酸聚合聚乳酸是一种具有良好生物可降解性和生物相容性的高分子材料。

它在医疗、食品包装、农业和环境等领域有广泛的应用前景。

随着科学技术的不断发展，相信乳酸聚合聚乳酸会在更多领域发挥其独特的优势，为人们的生活带来更多便利和环保的选择。

生物降解塑料生物降解塑料，是指通过微生物、水、光、热等因素作用下，在自然环境中逐渐分解的塑料材料。

生物降解塑料被广泛应用于日常生活中，如购物袋、垃圾袋、食品包装等。

与传统的普通塑料相比，生物降解塑料有许多优势，例如：降低环境污染；减少垃圾清理工作量；提高塑料回收利用率等。

生物降解塑料目前正引起人们的广泛关注，因其具有重大的环境和经济效益。

一、生物降解塑料简介1.1 生物降解的概念生物降解是指生物体或其分解物质，为了获得能量和营养，能够被微生物、酶等生物催化剂分解的一个过程。

微生物是地球上最早出现的生物，它们解决了许多的污染问题。

生物体具有分解和利用化学能的能力，微生物在环境中扮演着重要的角色。

一些在自然界不易分解的物质，例如能源、杀虫剂、塑料等，微生物可以将其分解为小分子结构，从而降解并释放出能量和营养。

1.2 生物降解塑料的定义生物降解塑料是指在自然环境中，通过微生物作用，在合适的条件下能够分解为简单的化学物质水和二氧化碳、甲烷、生物质等物质，并不会对环境和生态造成危害。

生物降解塑料是一种较新的可持续发展技术，通过提高塑料材料的生物降解性能，减少塑料污染，在环境保护和可持续发展中具有重要的意义。

1.3 生物降解塑料的种类生物降解塑料有许多种类，但这些塑料并非所有在自然界都能被降解，具体依据成分及添加剂的不同也有所差异。

1)淀粉基生物降解塑料：淀粉基生物降解塑料是以淀粉为基础的塑料，添加合适的降解剂使其具有一定的生物降解性能。

淀粉基生物降解塑料方便制造，成本相对较低，而且生物降解性能良好。

但这种塑料也容易受山林垃圾里的杂物捣乱而受阻，影响其降解的效率与速度。

目前淀粉基生物降解塑料已经广泛应用于食品包装、购物袋和医药包装等方面。

2)聚乳酸生物降解塑料：聚乳酸生物降解塑料是一种基于可再生生物质的生物降解聚合物，它是由玉米、小麦等农产品中的淀粉、葡萄糖等物质通过发酵、提纯、缩聚等工艺加工而成的。

聚乳酸在自然环境中能够完全降解，是一种绿色环保的材料，广泛应用于食品包装、药品包装、儿童玩具、医疗器械等领域。

聚乳酸――新型生物降解材料以天然素材为原料合成新型材料已经成为现今材料科学一个新的发展方向,这种新型材料不仅具有优良的性能,更为重要的是其废弃物可以靠微生物降解,最终生成二氧化碳和水,参加到自然界的生态大循环,对环境的污染可以降至零;同时生物界奇妙的遗传技术也会将材料的特性一代一代地传递下去。

因此,材料学界赋予这种新型材料以一个崭新的名字――新型生物降解材料。

这其中最具有代维普资讯中重检验檀疫2 0 0 6 第9期c I ET N N U RNI N 1 c i D AAT E H A￣P O A Q N以天然素材为原料合成新型材料已经成为现今材料科学一个新的发展方向，这种新型材料不仅具有具有较好的悬垂性和手感，纯纺或与毛、的混纺织物可保形、棉防皱，于适作外套、女装、服、礼内衣、等。

T恤医药行业：主要用途有药物控制释放、材料、术缝合线和眼科材骨手料等。

优良的性能，更为重要的是其废弃物可以靠微生物降解，最终生成二氧化碳和水，参加到自然界的生态大循环，环境的污染可以降至零；对同时生物界奇妙的遗传技术也会将材料的特性一代一代地传递下去。

因此，材料学界赋予这种新型材料()品的缓释：1药聚乳酸及其共聚物根据药物的性质、放要求及给药释途径，可以制成特定的药物剂型，使药物通过扩散等方式在一定时间内，以某一种速率释放到环境中。

()材料：乳酸的性质满足2骨聚了作为人体内的使用的高分子材料I: 11:口杨天以一个崭新的名字――新型生物降解材料。

这其中最具有代表性也是应用最为广泛的当属聚乳酸及其衍生物了。

聚乳酸是利用有机酸(酸)乳为原料(玉米)如生产的新型聚酯材料，字韩必须无毒、合适的生物降解性和良好的生物兼容性以及对某些具体的细胞有一定相互作用的能力的要求。

通过大量的临床试验表明，乳酸作为聚人体内固定材料，入后炎症发生率植低、度高、强术后基本不出现感染情况。

目前国内外正在加快研究和应用步伐，望在血管、有韧带、皮肤、肝脏等组织修复和培养中使用。

聚乳酸骨科内固定材料的研究进展作者：唐芳根艾永平来源：《中国保健营养·中旬刊》2013年第02期【摘要】本文综述了聚乳酸的合成与降解机理，对聚乳酸在骨科内固定材料中的应用进展做了详细论述，得出聚乳酸是目前研究最成熟，也是实际应用最多的一种可完全降解骨科内固定材料。

【关键词】聚乳酸；骨折内固定；研究进展【中图分类号】R-3 【文献识别码】A 【文章编号】1004-7484（2013）02-0259-021.聚乳酸合成合成聚乳酸的单体主要有乳酸和它的环状二聚体丙交酯，根据光学活性不同可分为图1几种：由于人体只具有分解L-乳酸的酶，故L-乳酸比D-乳酸在生物可降解材料的应用上更有优势。

L-乳酸主要通过发酵法生产，包括细菌发酵、根酶发酵、固定化微生物发酵，丙交酯主要通过乳酸直接缩聚得到的低分子量的乳酸齐聚物在高温下裂解形成，MeSo-丙交酯是从DL-丙交酯重结晶的母液中得到。

目前聚乳酸的合成主要有三种方法：直接法、间接法、共聚法。

直接法是指乳酸直接脱水合成聚乳酸。

由于该法生产出的聚乳酸的相对分子量小于4000，强度低，所以实用性不强。

间接法是指首先将DL-乳酸用ZnO粉末为催化剂减压缩合形成丙交脂，然后将合成的丙交脂在高温下以ZnO为催化剂真空聚合生成聚乳酸。

共聚法是指把具有不同组成和特点结构的PLA单体共聚从而得到综合性能更好的聚合物。

2 聚乳酸的降解机理对于聚合物降解机制的研究，从物理角度看，有均相和非均相降解。

非均相降解指降解反应发生在聚合物表面，而均相降解则是降解发生在聚合物内部。

聚乳酸是一种聚脂，其降解可分为简单水解（酸碱催化）降解和酶催化水解降解。

从化学角度看，主要有三种降解方式：主链降解生成低聚体和单体、侧链水解生成可溶性主链高分子、交联点裂解生成可溶性线性高分子[1]。

对于降解动力学，当聚乳酸植入体内以后，降解反应也会同时进行，但是最初阶段降解反应进行比较缓慢，产生的酸性小分子可以被代谢而排出体外，随着时间的推移，降解反应逐步加速，产生的酸性小分子就来不及被代谢而积累，造成局部酸浓度过大，它们又会加速催化材料的降解，即发生自催化效应[2]。

聚乳酸热降解动力学聚乳酸属于对热十分敏感的物质, 当温度超过200 °C时会出现明显的热降解。

热降解的速率取决于降解的时间、温度、低分子量物质的含量以及催化剂的浓度等。

由于聚乳酸的熔点为180 °C左右,因此其加工温度要超过185～ 190 °C。

而过高的温度下会引起热降解,导致聚乳酸分子量和性能的降低, 因此聚乳酸的加工温度范围较窄。

实验部分聚乳酸样品为自制, 其粘均分子量为20 万左右, 催化剂含量为0. 5%。

实验对该样品在纯化前先将聚乳酸样品溶解于氯仿中, 过滤除去其中的杂质, 再将滤液倒入甲醇溶液中以沉淀出聚合物, 得到的滤饼用甲醇洗涤, 然后置于真空干燥箱中于50 °C下干燥至恒重, 得到所需产品。

将纯化前后的聚乳酸样品用铝箔包裹后放入玻璃管中, 在抽真空的条件下将玻璃管封闭, 然后放进恒温干燥箱中, 分别在180、190、200、210 °C下进行热降解实验。

每隔一段时间(10～ 120 m in) 取样分析, 在37 °C下以四氢呋喃为溶剂用乌氏粘度计测定。

聚乳酸热降解过程中主要考虑分子内的酯交换反应及其逆反应结论(1) 初步建立了聚乳酸热降解模型, 该模型中考虑了分子内的酯交换反应及其逆反应, 但由拟合的结果发现, 逆反应的速率常数比正反应的要小得多, 因此在本实验条件下可以忽略逆反应。

(2) 温度、时间以及催化剂浓度等因素对聚乳酸热降解过程均有较大的影响。

热降解的温度越高,聚乳酸相对分子质量降低的速率越大; 同样, 降解时间越长其剩余相对分子质量越低。

但降解过程主要集中在前期(约0～ 30 m in) , 此阶段聚乳酸降解速度非常快, 而在后一阶段, 降解的幅度变慢, 相对分子质量的变化较小。

催化剂促进了热降解反应, 浓度越大降解越明显。

(3) 拟合得到了两种情况下聚乳酸热降解反应的活化能, 其中经过纯化处理后降解反应的活化能要高于未处理的, 这也表明催化剂降低了反应的活化能。

聚乳酸降解的方程式一、聚乳酸是什么呢？聚乳酸啊，它可是一种很神奇的东西呢。

它是一种生物可降解的热塑性聚酯，就像是大自然和人类科技共同孕育出来的小宝贝。

它的来源也很环保哦，一般是从可再生资源，像玉米淀粉之类的东西中提取合成的呢。

这就好比是我们把大自然给我们的礼物加工成了一个更有用的东西。

二、聚乳酸降解为啥重要呢？这可太重要啦。

在我们这个到处都有塑料的世界里，普通塑料难以降解，造成了好多环境污染的问题，什么白色污染啊，真的很让人头疼。

但是聚乳酸就不一样啦，它可以降解，就像一个听话的小天使，到了该消失的时候就乖乖消失了，不会一直在环境里赖着不走，这样就能让我们的地球环境变得更好啦。

三、聚乳酸降解的一般条件聚乳酸的降解是需要一定条件的哦。

它会受到温度、湿度、微生物等多种因素的影响。

比如说在合适的温度下，可能是那种温暖但又不是特别热的环境里，再加上一定的湿度，就像春天那种有点湿润的感觉，微生物们就会活跃起来，开始对聚乳酸动手啦，让它慢慢分解。

四、聚乳酸降解的可能的化学反应步骤聚乳酸分子呢，它是由很多个重复的单元组成的。

在降解过程中，首先可能是酯键的断裂。

你可以想象聚乳酸分子就像一串珠子，酯键就是串珠子的线，现在这根线开始断掉啦。

这个过程可能会有水解反应参与进来，就像是水这个小助手来帮忙把珠子的线弄断。

然后呢，断掉的部分又会进一步发生氧化等反应，逐渐变成更小的分子，最后可能就变成二氧化碳和水啦，回归到大自然中。

五、用方程式来表示聚乳酸降解聚乳酸的化学式一般表示为 (C₃H₄O₂)ₙ。

那它降解的方程式可能是这样的：(C₃H₄O₂)ₙ + nH₂O → nC₃H₆O₃（这里是先水解成乳酸单体），然后乳酸单体再进一步被微生物氧化，C₃H₆O₃ + 3O₂ → 3CO₂+ 3H₂O。

不过呢，这只是一个比较简单的表示方式，实际的降解过程可能会更复杂，涉及到很多中间产物。

六、影响聚乳酸降解方程式的其他因素除了前面说的那些环境因素，聚乳酸本身的结构也会影响降解方程式。