基于界面增效的全细胞催化PET生物降解研究

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聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是广泛应用的基础高聚物材料。但是,PET的高结晶度和高疏水性能,使其难以生物降解,这不仅使PET废弃物处理成为难题,而且高疏水性限制了其在许多领域的应用。生物加工是实现材料功能化的重要途径,生物降解是实现材料废弃物清洁处理的最理想渠道。但PET的生物降解一直是难以攻克的问题,相关研究进展缓慢。本课题从底物角度出发,通过使用增塑剂对PET进行预处理,结合表面活性剂的使用,增加作为底物的PET的生物界面活性,提高其表面的生物催化反应效率,促进PET的生物降解。使用与PET结构单元相似的对苯二甲酸二甲酯(DMT),和与水杨酸甲酯结构相似的对羟基苯甲酸甲酯(MP)作为增塑剂,通过低温增塑的方法对聚酯织物进行处理。考察增塑前后织物的性能变化,监测生物降解过程微生物生长规律和降解产物浓度变化。结果表明,增塑处理后织物亲水性增强,水接触角降低67.68%,分子结构变疏松,结晶度降低3.08%,纤维表面因膨化出现裂缝,以增塑处理的PET作为唯一碳源,微生物生长良好,发酵液中产物最大浓度提升67.59%。以本实验室培育的PET降解菌为全细胞生物催化剂,以吐温80为异相界面活化剂,构建了界面活化的全细胞催化增塑预处理PET生物降解的体系。通过紫外-可见分光光度计、HPLC、FTIR、DSC和SEM,监测了微生物的生长情况,分析了体系中产物的种类、对比了底物官能团、超分子结构和形貌变化。结果表明,界面活化剂的添加促进了底物的降解,最大生物量提升60.89%,产物最大浓度提升15.85%,结晶度提高5.11%,纤维形貌变化明显,表面刻蚀范围加大,分布更均匀。随着降解反应的进行,高浓度的产物造成p H下降,影响微生物的生长。基于对产物浓度和生物量的监测,对以增塑预处理PET为底物,吐温80为界面活化剂的降解反应体系,进行重复补料分批发酵工艺优化,在最佳工艺参数的条件下,对降解10 d的底物进行表面官能团、超分子结构和表观形貌表征。结果表明,最佳置换时间间隔为48 h,最佳置换时间点为72 h,最佳置换体积为40%,降解过程无需调节p H,PET生物降解效果显著,作为底物的PET纤维结构和性能变化明显,Tg提升6.76℃,Tm提升5.74℃,结晶度提高了6.82%,PET纤维表面形态变化明显,出现大范围的表皮脱落和分层。
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