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针对海的合成生物塑料。阻止“白色污染”并不是一个梦想。

针对海洋的合成生物塑料阻止“白色污染”不是梦想

本报记者赵汉斌

在过去的50年里,世界上已经留下了70亿吨塑料垃圾,被称为“白色污染”。塑料废物是海洋中污染最严重的。根据《科学》杂志,每年有800万吨塑料被冲入海中。更令人恐惧的是,它们产生的大量塑料颗粒通过海鲜,海盐等手段进入人体,对健康造成很大危害。破解“白色污染”一直是全世界科学家的重要方向。

最近,国外媒体报道称,以色列特拉维夫大学已采用最新技术生产生物塑料聚合物。该过程不需要土地和淡水,而是来源于以海藻为食并且可生物降解的微生物。它产生零毒性废物,可以回收利用到有机废物中。这有什么样的生物技术背景?国内发展的前景如何?通过一系列问题,“科技日报”记者采访了相关科学家。

石化塑料一旦合成难以降解

普通塑料聚酯由不可再生石油为原料,由多元醇和多元酸缩聚而成。由于其方便,耐用,防水特性和低价格,因此被广泛使用。

2018年国际生物聚酯大会(ISBP)主席,清华大学合成与系统生物学中心主任陈国强教授告诉“科技日报”,目前只有1.2亿吨一次性塑料制品。世界,其中只有10%被回收。大约12%被烧毁,超过70%被丢弃到土壤,空气和海洋中。

在中国,每年土壤中只剩下35万吨农膜,残膜率为42%。农田中0-30cm的农田土壤中残留了大量农膜,对农业生产和食品安全构成了巨大威胁。塑料废物造成“白色污染”的最重要原因是塑料的化学性质。塑料是通过单体聚合形成的聚合物,例如聚乙烯或聚苯乙烯。与其他垃圾不同,环境中的分解微生物不能消化塑料中连接单体的化学键,因此它们不能分解成单体形式。换句话说,一旦合成塑料,就没有“后路”。

可以制成这样一种物质,它具有与传统塑料相同的聚合物性质,并且很容易被微生物降解成单体吗?几十年来,国际生物聚酯界一直在努力。

从海藻培植中找到新碳源

解决塑料废物问题的唯一方法是生物塑料替代品,它不使用油并快速降解。但总的来说,生物塑料也有环境成本。生长生物基质需要肥沃的土壤和淡水。但是,许多国家没有这样的资源。

以色列特拉维夫大学环境与地球科学分院的Alexander Gulberg博士和Michael Gusin教授之间的新合作使用地中海野生型微生物在模拟藻类水解产物培养基中生成培养基。称为聚羟基链烷酸酯(PHA)的聚合物。由这种聚合物制成的生物塑料不仅具有零毒性,而且还成为被微生物分解和利用并反馈到自然环境中的营养物质。然而,使用微生物和藻类生产可生物降解的塑料仍然面临许多挑战,包括依赖纯葡萄糖的碳源,有机替代品生产不同类型PHA的技术要求,下游加工过程中的污染,以及可能的大数量。使用溶剂等。

“使用藻类培养藻类的想法很好。海域面积大,海带等大型藻类比食物生长得快。“陈国强教授说,这一成就的创新在于寻找新的生物聚酯碳。资源。

在中国,以玉米,马铃薯,木薯等为基质合成的生物聚酯的性能接近于传统塑料产品,并得到了一些欧洲制造商的认可。 “我们开发的生物塑料产品甚至可以用于动物。”陈国强说,依靠传统生物学的知识基础和基因合成,测序,系统生物学和生物信息学等技术的进步,最新的研究成果促进了这一发展。 PHA结构。在各种应用中可以满足变化。除包装材料,农用薄膜,纤维,生物燃料等外,PHA在药品,化妆品和动物饲料方面具有非常广阔的市场前景。

以藻类为原料还是一个新概念

根据包括中国科学家在内的现有前沿成果,Gulberg及其在国际知名期刊《生物资源技术》杂志上的合作者表示,由于廉价而缺乏可用的基质阻碍了PHA的大规模生产。他们使用主要基于该基质的大型藻类来获得用于生产PHA的碳基质。在海洋中,大多数藻类,包括海藻和红藻,褐藻等都具有这种能力,但海藻的繁殖会引起水体的富营养化,其治理是一个大问题。因此,他们将注意力集中在绿色巨型藻类上,这些藻类不仅具有修复水环境的功能,而且还可用于生产PHA,预计PHA可为生物聚酯的生产提供可持续的解决方案。

他们最初筛选了7种海藻,这些海藻具有不同的合成PHA生产潜力。从测试组合中,绿色大藻组合物获得PHA的最大产率。他们还研究了不同浓度的水解产物对PHA的影响,并确定了新合成的PHA的结构特征。发现结果与之前报道的其他碳源作为底物相同。研究结果证明,海洋生长的藻类可以成为生物聚合物长期生产的可持续和环保的替代品,PHA生产在实验示范中不使用淡水,这表明可以扩大可持续过程的规模。 。向前迈进了生物加工和生物炼制技术的发展。

但陈国强教授认为,这仍是一个新概念。大规模生产应该是二十年或三十年,特别是在成本控制方面,仍然很难像聚乙烯一样便宜。此外,海洋上捕获藻类的成本相对较高。

我国“蓝水生物技术”工艺完成中试

陈国强教授介绍说,生物产业优于传统化学工业。大多数生物反应所需的条件相对温和,并且不需要诸如高温和高压的苛刻条件。使用的原料和代谢废物对环境无害,生物聚酯研究正在国际上迅速发展。中国生物降解塑料的基础研究和工业,特别是聚乳酸(PLA),聚羟基链烷酸酯,聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)和二氧化碳共聚物(PPC)等生物聚酯的开发进展迅速,已经提升了国际同行的水平。

据报道,清华大学生命科学学院开创的“新一代工业生物技术”于2017年12月完成了PHA工业生产的试验,实现了低成本的PHA批量生产能力,无需灭菌和开放式连续发酵。为了实现该技术的快速产业化,在清华大学的支持下,北京蓝晶微生物技术有限公司的研发团队开发了一种基于嗜盐微生物的低成本生产技术。——“蓝水生物技术”,革命性和简化PHA的合成工艺和试生产基地也已完成并投入生产。预计未来五年,中国PHA的成本将继续下降,市场份额将大幅增加。

中国的“蓝水生物技术”,一方面可以实现无需灭菌的连续灭菌,降低灭菌过程的能耗,减少灭菌过程带来的复杂操作和劳动力成本,实现高效生产;另一方面,培养嗜盐微生物需要含有高浓度盐的底物培养基,这意味着可以使用海水代替淡水来避免水问题。此外,对灭菌的需要意味着生物反应器不需要使用不锈钢来承受高温和高压蒸汽,并且可以使用诸如塑料或陶瓷的材料,从而降低设备成本。目前,世界上第一台5吨塑料生物反应器已经组装和运行,但面对市场仍存在许多挑战。

陈国强教授说,虽然工业技术日趋成熟,成本逐年下降,但从全球范围来看,阻碍“白色污染”的程度远远不够。政策导向和促进仍然是一个普遍问题。
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