用于从解聚的聚羟基丁酸酯直接形成聚羟基丁酸酯的生物反应器和方法与流程

背景技术：

1、全球石油基塑料产量每年都在持续增加。例如，近年来，已经生产了超过300,000,000吨石油基聚合物。大部分上述生产的聚合物被用于生产一次性产品，诸如塑料饮料瓶、吸管、包装和吸收制品，包括可穿戴吸收制品。大多数这些塑料产品都被丢弃，没有进入回收流。

2、尤其是，吸收制品(包括个人护理和儿童护理服装)目前主要由石油基塑料(诸如由聚乙烯或聚丙烯形成的薄膜和非织造材料)制成。由于这些制品的性质和它们执行的功能，部分或完全回收使用过的聚丙烯或聚乙烯材料，即使不是不可能的，也是困难的。

3、长期以来，人们一直希望，由可再生资源生产的可生物降解的聚合物(以下简称“生物聚合物”)在减少全球石油基塑料在环境中的积聚方面能够大有前景。例如，已经对生物衍生的聚合物和可在合适环境中生物降解的聚合物进行了重要研究。一类这种生物聚合物是聚羟基链烷酸酯(pha)。pha家族已经完成了大量工作，最引人注目的是聚羟基丁酸酯(phb)聚合物(包括聚3-羟基丁酸酯(p3hb)、聚4-羟基丁酸酯(p4hb))、聚羟基戊酸酯(phv)、聚羟基己酸酯(phh)、聚羟基辛酸酯(pho)及其共聚物。具体而言，phb显示出是有前景的，因为该聚合物来源于天然来源，可以通过若干机制进行生物降解，并且与人体组织具有生物相容性。特别有利的是，pha家族生物聚合物表现出与一些石油基聚合物非常相似的热塑性特性，因此代表了石油基聚合物(诸如聚丙烯和聚乙烯)的可行替代物。

4、聚羟基链烷酸酯是使用多个细菌属和古菌属合成的，这些细菌属和古菌属包括盐芽孢杆菌属(halobacillus)、芽孢杆菌属(bacillus)、盐杆菌属(salinobacter)、黄杆菌属(flavobacterium)、色盐杆菌属(chromohalobacter)、盐单胞菌属(halomonas)、海杆菌属(marinobacter)、弧菌属(vibrio)、假单胞菌属(pseudomonas)、盐球菌属(halococcus)、盐棍菌属(halorhabdus)、适盐菌属(haladaptatus)、无色嗜盐菌属(natrialba)、盐栖菌属(haloterrigena)和盐红色菌属(halorussus)。聚羟基链烷酸酯作为这些生物体的能量库。由上述微生物进行的聚羟基链烷酸酯聚合物的产生涉及三步酶促机制，该机制从乙酰辅酶a开始。在形成phb时，第一步是通过phaa(β-酮硫解酶)进行的乙酰辅酶a的催化形成β-酮酰辅酶a。转而，它在nadp依赖性反应中通过phab酶(β-酮脂酰辅酶a还原酶)转化为r-3-羟酰辅酶a。最后一步，通过phac(phb合成酶)催化使r-3-羟酰辅酶a聚合成phb。换句话说，该途径的最后一步涉及通过聚羟基链烷酸酯聚合酶将羟基链烷酸单体聚合成聚羟基链烷酸酯聚合物。生物合成的聚羟基链烷酸酯作为大分子量细粒在细菌细胞中积聚，可占细胞干物质的约60％至约90％。

5、这些相同的生物体表达胞外和/或胞内phb解聚酶(基因phaz)，该酶将聚合物降解回羟基丁酸酯(hb)和小phb寡聚体。所得的hb被进一步降解，为微生物提供碳和能源。从工业的角度来看，hb是一个尽头，因为它不能通过任何已知的化学过程直接再聚合。虽然它可以在环境上完全降解，但是如果能够将hb转化为易于用于重新形成phb的形式，那么在经济和环境上都是有利的。

6、在自然界中，为了回收聚合物中储存的能量，生物降解通过pha解聚酶(phad酶)来完成。不幸的是，天然phad酶通常不利于工业过程，例如消费后回收过程，因为用于任何生物工业过程的酶必须具有若干典型的phad酶缺乏的特征。为了广泛使用，用于在工业过程中使用的酶应该是热力学和/或热稳定的，以在该过程中具有长寿命。酶还应该是在动力学上尽可能快的，使得在最少的时间内将最大量的底物转化为产物。酶还必须在工业过程的环境条件下具有完全活性。例如，在涉及处理污染的含有phb的个人护理产品(例如尿布、女性护垫、失禁服装等)的过程中，酶必须能够在被粪便、尿、月经液等污染的环境中起作用。理想地，酶应该在设计用于中和用过的消费品中可能存在的污染物(例如嗜温细菌)的处理环境中起作用。

7、如果存在重新形成hb的过程，则将在废物处理过程方面取得重大进展。具体地说，即使与石油基聚合物相比，生物聚合物能够更快地生物降解，生物聚合物一旦被丢弃仍然可以在垃圾填埋场或土壤中保留很长一段时间。因此，需要一种用于在生物聚合物(诸如聚羟基链烷酸酯)进入固体废物流时对它们进行分解和回收，或者重新使用生物聚合物以将它们从废物流中完全除去的系统和方法。

8、需要可以回收生物塑料以回收pha的方法，然后pha可以在重新形成生物塑料和/或生物聚合物中被重新使用。如果回收和重新形成的生物聚合物适用于消费品和工业过程，则将是另一个有益效果。可以在处理来自消费后个人护理产品的生物聚合物中(例如在回收过程中)使用的工业处理材料和方法将在本领域中具有很大益处。具体而言，如果能够将hb转化为易于用于重新形成phb的形式，那么在经济(和环境上)都是有利的。提供一种使用酶将消费后产品转化为回收的单体并且将回收的单体聚合成适用于工业过程的生物聚合物的方法，将是另一个有益效果。提供绕过任何涉及乙酰辅酶a的反应的用于重新形成生物聚合物的反应途径，从而允许聚羟基丁酸酯分解为羟基丁酸酯然后重新形成聚羟基丁酸酯的途径，将是另一个有益效果。

技术实现思路

1、一般而言，本公开涉及用于pha聚合物的降解、脱污和回收的方法和系统。此类pha聚合物可以是可能被污染的消费后产品，诸如消费后个人护理产品、食品行业产品和其他回收的含有pha的制品的组分。目前，大部分消费后产品包括但不限于包装、吸管、杯子、瓶子、购物袋、餐具、盘子和个人护理产品(诸如个人护理服装(例如尿布、儿童训练裤、一次性泳裤、女性卫生用品、成人失禁用品)、卫生棉条分配器、医疗用品等)，是由石油基聚合物制成的。目前的重大工作是将生物聚合物(诸如pha)纳入此类产品中，并且改善和促进生物聚合物的回收。本公开涉及可以用于在小型或大型环境中进行生物聚合物的同时脱污、生物降解和回收的改善的方法和系统。

2、在一个方面，公开了从含有聚羟基链烷酸酯的消费后产品中回收聚羟基链烷酸酯家族中的生物聚合物的方法。所述方法包括，在第一容器内，使消费后产品与嗜极端微生物悬浮液或嗜极端解聚酶接触，以提供羟基链烷酸酯单体，将含有所述单体的溶液通过过滤器泵送至第二生物反应器容器，以及在第二容器内，使所述单体与一种或多种酶接触，以产生回收的聚羟基链烷酸酯。在一个方面，聚羟基链烷酸酯可以是聚羟基丁酸酯。在一个方面，嗜极端细菌或嗜极端解聚酶可以是或得自以下属：盐单胞菌属(halomonas)、徐丽华菌属(lihuaxuella)、溶杆菌属(lysobacter)、交替单胞菌属(alteromonas)、节杆菌属(arthrobacter)、固氮螺菌属(azospirillum)、empedobacter(稳杆菌属)、desulfovibrio(脱硫弧菌属)、盐芽孢杆菌属(halobacillus)、halobacteriovorax、haloechinothrix、盐海洋菌属(halomarina)、盐红色菌属(halorussus)、盐栖菌属(haloterrigena)、isoptericola、海杆菌属(marinobacter)、methyloligella、小单孢菌属(micromonospora)、嗜盐碱球菌属(natronococcus)、nocardiopsis(诺卡土壤菌属)、副球菌属(paracoccus)、roseivivax、saccharomonospora(糖单孢菌属)、希瓦氏菌属(shewanella)、酸芽孢杆菌属(alicyclobacillus)、natranaerobius、盐杆茵科(halobacteriaceae)、生丝单胞菌属(hyphomonas)、拟无枝酸菌属(amycolatopsis)、乔治菌属(georgenia)、热酸菌属(acidothermus)、喜热裂孢菌属(thermobifida)或它们的组合。例如，在一个方面，嗜极端细菌或嗜极端解聚酶可以是或得自：嗜热徐丽华菌(lihuaxuella thermophila)或海水盐单胞菌(halomonas aquamarine)。在一个方面，嗜极端细菌可以具有约0.5摩尔/升至约5摩尔/升的耐盐性，或者约40℃至约120℃的耐温性，或者它们的组合。在一个方面，嗜极端解聚酶可以由经遗传修饰的微生物产生，所述微生物已经遗传修饰为分泌嗜极端解聚酶。例如，嗜极端解聚酶可以由至少一种类型的天然存在的微生物产生，所述天然存在的微生物天然编码嗜极端解聚酶。在一个方面，嗜极端微生物或嗜极端酶可以是以下生物体或从以下生物体纯化，所述生物体包括：河口溶杆菌(lysobacter aestuarii)、抗生素溶杆菌(lysobacter antibioticus)、布古尔溶杆菌(lysobacter bugurensis)、辣椒溶杆菌(lysobacter capsica)、产酶溶杆菌(lysobacterenzymogenes)、lysobacter lacus、lysobacter lycopersici、马里溶杆菌(lysobactermaris)、lysobacter niastensis、深源溶杆菌(lysobacter profundi)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.a03)、溶杆菌属物种(lysobactersp.cf310)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.h21r20)、溶杆菌属物种(lysobactersp.h21r4)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.h23m41)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.r19)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.root604)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.root690)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.root916)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.root983)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.ty2-98)、海绵溶杆菌(lysobacter spongiae)、居海绵溶杆菌(lysobacter spongiicola)、溶杆菌属、碱土溶杆菌(lysobacter alkalisoli)、抗砷溶杆菌(lysobacter arseniciresistens)、大田溶杆菌(lysobacter daejeonensis)、lysobacter dokdonensis、产酶溶杆菌(lysobacter enzymogenes)、产酶溶杆菌(lysobacter enzymogenes)、lysobacter gilvus、胶状质溶杆菌(lysobacter gummosus)、马里溶杆菌(lysobacter maris)、lysobacter oculi、lysobacter panacisoli、lysobacter penaei、lysobacter prati、耐冷溶杆菌(lysobacter psychrotolerans)、lysobacter pythonis、瑞身溶杆菌(lysobacter ruishenii)、lysobacter segetis、lysobacter silvestris、lysobacter silvisoli、lysobacter soli、溶杆菌属物种(lysobacter sp.)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.17j7-1)、溶杆菌属物种(lysobactersp.alg18-2.2)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.cm-3-t8)、溶杆菌属物种(lysobactersp.h23m47)、溶杆菌属物种(lysobactersp.hdw10)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.ii4)、溶杆菌属物种(lysobactersp.n42)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.oae881)、溶杆菌属物种(lysobactersp.root494)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.urha0019)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.wf-2)、溶杆菌属物种(lysobacter sp.yr284)、lysobacter tabacisoli、lysobacter telluris、lysobacter tolerans、lysobacter tolerans、新疆溶杆菌(lysobacter xinjiangensis)、未分类的溶杆菌、aliivibrio finisterrensis、费氏别弧菌(aliivibrio fischeri)、aliivibrio sifiae、别弧菌属物种(aliivibriosp.)、别弧菌属物种(aliivibrio sp.1s128)、别弧菌属物种(aliivibrio sp.el58)、别弧菌属物种(aliivibrio sp.sr45-2)、caballeronia arvi、caballeronia calidae、caballeroniahypogeia、caballeronia insecticola、caballeronia pedi、caballeronia terrestris、dokdonella koreensis、

3、dyella caseinilytica、dyella choica、鼎湖山戴氏菌(dyella dinghuensis)、dyella flava、江宁戴氏菌(dyella jiangningensis)、dyella kyungheensis、dyellamobilis、dyella monticola、dyella nitratireducens、dyella psychrodurans、dyellasoli、dyella solisilvae、戴氏菌属物种(dyella sp.7mk23)、戴氏菌属物种(dyellasp.asv21)、戴氏菌属物种(dyella sp.asv24)、戴氏菌属物种(dyella sp.c11)、戴氏菌属物种(dyella sp.c9)、戴氏菌属物种(dyella sp.dhc06)、戴氏菌属物种(dyellasp.epa41)、戴氏菌属物种(dyella sp.g9)、戴氏菌属物种(dyella sp.m7h15-1)、戴氏菌属物种(dyella sp.m7h15-1)、戴氏菌属物种(dyella sp.ok004)、戴氏菌属物种(dyellasp.s184)、戴氏菌属物种(dyella sp.sg562)、戴氏菌属物种(dyella sp.sg609)、戴氏菌属物种(dyellasp.yr388)、dyella tabacisoli、博兹曼荧光杆菌(fluoribacterbozemanae)、杜氏荧光杆菌(fluoribacter dumoffii)ny 23、戈氏荧光杆菌(fluoribactergormanii)、海洋微颤菌(microscilla marina)、铜绿假单胞菌(pseudomonasaeruginosa)、耐热假单胞菌(pseudomonas thermotolerans)、地中海假单胞菌(pseudomonas mediterranea)、嗜冷杆菌属物种(psychrobacter sp.)、冷单胞菌属物种(psychromonas sp.mb-3u-54)、冷单胞菌属物种(psychromonas sp.psych-6c06)、冷单胞菌属物种(psychromonas sp.rz22)、冷单胞菌属物种(psychromonas sp.urea-02u-13)、反硝化罗河杆菌(rhodanobacter denitrificans)、黄褐色罗河杆菌(rhodanobacterfulvus)、甘草罗河杆菌(rhodanobacter glycinis)、rhodanobacter lindaniclasticus、rhodanobacter panaciterrae、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.7mk24)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.a1t4)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.b04)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.b05)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.c01)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.c03)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.c05)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.c06)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.dhb23)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.dhg33)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.l36)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.mp1x3)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.ok091)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.or444)、罗河杆菌属物种(rhodanobactersp.pca2)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.root480)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.root627)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.root627)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.scn 67-45)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.scn 68-63)、罗河杆菌属物种(rhodanobactersp.soil772)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.t12-5)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.tnd4eh1)、罗河杆菌属物种(rhodanobacter sp.tnd4fh1)、rhodanobacter spathiphylli、rhodanobacter thiooxydans、stenotrophomonaschelatiphaga、嗜麦芽糖寡养单胞菌(stenotrophomonas maltophilia)、stenotrophomonas panacihumi、stenotrophomonas pavanii、嗜根寡养单胞菌(stenotrophomonas rhizophila)、寡养单胞菌属物种(stenotrophomonassp.ddt-1)、寡养单胞菌属物种(stenotrophomonas sp.rit309)、寡养单胞菌属物种(stenotrophomonassp.ska14)、河口弧菌(vibrio aestuarianus)、vibrio antiquaries、水弧菌(vibrioaquaticus)、塔斯马尼斯弧菌(vibrio tasmaniensis)、黄单胞菌目(xanthomonadales)细菌、白纹黄单胞菌属(xanthomonas albilineans)、树生黄单胞菌(xanthomonasarboricola)、地毯草黄单胞菌(xanthomonas axonopodis)、溴黄单胞菌(xanthomonasbromi)、野油菜黄单胞菌(xanthomonas campestris)、大麻黄单胞菌(xanthomonascannabis)、柑橘黄单胞菌(xanthomonas citri)、真泡黄单胞菌(xanthomonaseuvesicatoria)、草莓黄单胞菌(xanthomonas fragariae)、天竺葵黄单胞菌(xanthomonashortorum)、风信子黄单胞菌(xanthomonas hyacinthi)、水稻黄单胞菌(xanthomonasoryzae)、菜豆黄单胞菌(xanthomonas phaseoli)、豌豆黄单胞菌(xanthomonas pisi)、糖黄单胞菌(xanthomonas sacchari)、黄单胞菌属物种(xanthomonas sp.leaf131)、黄单胞菌属物种(xanthomonas sp.ncppb 1128)、半透明黄单胞菌(xanthomonas translucens)、xanthomonas vasicola、xanthomonas vesicatoria或它们的组合。例如，嗜极端酶或嗜极端微生物可以选自荧光假单胞菌或根癌农杆菌，或者从荧光假单胞菌或根癌农杆菌纯化。在一个方面，嗜极端酶可以包含约12个或更少的半胱氨酸残基。在一个方面，嗜极端解聚酶具有约3kda或更小的分子量。在一个方面，过滤器可以是约3kda至约30kda的分子量筛截过滤器，任选地随后是离子交换床。在一个方面，当在600nm处测量的第一生物反应器容器内容物的光密度

4、约小于0.4或当消费后产品中至少40％的聚羟基链烷酸酯已经解聚为单体或它们的组合时，可以通过过滤器将羟基链烷酸酯单体泵送至第二生物反应器容器。在一个方面，消费后产品可以含有尿液、月经、粪便或它们的组合，包括失禁产品、婴儿和儿童护理产品、女性护理产品和家庭护理产品或它们的组合。

5、本公开还整体涉及由在多步酶促反应中通过聚羟基丁酸酯的解聚释放的羟基丁酸酯而产生的聚羟基丁酸酯。例如，聚羟基丁酸酯可以通过以下方式来产生：在第一生物反应器容器中，使聚羟基丁酸酯与解聚酶接触，以提供羟基丁酸酯单体，以及在第二生物反应器容器中，用羟基丁酸酯脱氢酶将羟基丁酸酯单体转化为乙酰乙酸酯，用乙酰乙酰辅酶a合成酶将乙酰乙酸酯转化为乙酰乙酸酯辅酶a，用乙酰乙酰辅酶a还原酶将乙酰鲸蜡基辅酶a还原为羟基丁酰辅酶a，以及用羟基丁酸酯聚合酶使羟基丁酰辅酶a聚合，以形成聚羟基丁酸酯。在一个方面，合成酶、还原酶和聚合酶可以从假单胞菌属或农杆菌属细菌纯化而来。在一个方面，假单胞菌属泽漆皂苷也可以包含在第二生物反应器容器中。

6、在一个方面，本公开还整体涉及一种用于从含有聚羟基丁酸酯的消费后产品回收聚羟基丁酸酯的方法。例如，所述方法可以包括在第一生物反应器容器内使消费后产品与嗜热或嗜盐细菌悬浮液或者嗜热或嗜盐解聚酶接触，以提供羟基丁酸酯单体，将羟基丁酸酯单体泵送通过分子量筛截过滤器，任选地随后通过离子交换床，然后泵送至第二生物反应器容器，所述分子量筛截过滤器任选地后接离子交换床，以及在第二生物反应器容器内，使羟基丁酸酯单体与酶和辅因子进料接触，从而产生回收的聚羟基丁酸酯。在一个方面，消费后产品还包含可以使用第一生物反应器容器中的高盐浓度或高温来控制的污染物。在一个方面，辅因子进料包括辅酶a、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、三磷酸腺苷、单磷酸腺苷、焦磷酸或它们的组合。

7、本公开的其他特征和方面在下文更详细地讨论。