亚搏亚搏

欢迎光临
我们一直在努力

世界学者用大肠杆菌制作绿色尼龙,有望打破80年污染难题

1969 年 7 月 21 日,一面被特别规划过的美国国旗插在了月球外表。其间,旗杆运用的是一种铝材,而国旗的资料是——尼龙,价值 5.5 美元。

图|美国宇航员将国旗插在月球外表

作为国际三大组成纤维之一,尼龙及其衍生物现已广泛人类日子的方方面面:从尼龙丝袜到食品包装薄膜,从汽车模具到发动机舱,从乐器琴弦到绳子帐子,都能看到尼龙的影子。

可是,带来便利性的一起,尼龙工业的展开,也发生了高能耗、高污染问题。在传统的尼龙组成工艺中,有一种重要的中心产品,己二酸,它的制备需求高温、高压的特别环境,而且运用硝酸催化,其发生的酸液、废液,处理本钱昂扬;一起发生很多温室气体。

这一困扰了科学界和工业界半个多世纪的难题,现在有望得到处理。湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家要点试验室李爱涛教授团队,规划了一条全新的人工生物组成途径,通过运用生物催化剂、空气中的氧为氧化剂、在常温常压下水溶液中即可完结己二酸的制备。研讨效果于 10 月 7 日宣告在《天然·通讯》杂志上。

图|李爱涛团队在《天然·通讯》杂志宣告论文

李爱涛独爱 DeepTech,这篇论文一经宣告,就接到了多个尼龙出产厂家的电话,问询新工艺的本钱和安稳性问题。关于尼龙出产企业来说,己二酸作为最重要的中心单体,我们能够在组成工艺上有所打破,将会引发严重的工业革新。

天才的创造

1927年,美国杜邦公司约请年青的哈佛大学有机化学讲师华莱士·卡罗瑟斯参加,并开出了高达 500 美元的月薪,这在其时简直是哈佛大学平等职位薪水的两倍。可是,真实招引卡罗瑟斯参加的,却不在于酬劳多少。作为一个重度抑郁症患者,他更在乎杜邦公司正在展开的一个新项目:赞助那些朴实的、基础性的研讨。

杜邦公司眼光久远。时任副总裁查尔斯·斯坦说服了公司董事会,拿出 25 万美元用于纯科研。他们信任,在基础科学范畴的打破会带来更久远的商业利益。而卡罗瑟斯作为化学家赫尔曼·施陶丁格的支持者,火急地想要证明施陶丁格有争议的理论——聚合物能够由简直无限长度的分子链组成。

宽松的研制环境、出色的有机化学人才和激烈的动机都已完备,新效果呼之欲出。参加杜邦后,卡罗瑟斯的试验室将要点放在聚酰胺的组成上,这是一种由碳、氧、氮、氢原子组成的长链,能够通过旋转、拉伸发生柔韧的弹性纤维。通过一系列试验探究,1935 年 2 月 28 日,卡罗瑟斯用己二胺与己二酸进行缩聚反响,组成了一种名为聚酰胺 66 的聚合物。其熔点高达 263 摄氏度,结构性质更挨近天然丝,拉制出的纤维具有丝的外观和光泽,耐磨性也超越了其时任何一种纤维。

图|聚酰胺 66 纤维

可是,试验室里的成功到工业出产还有很悠远的间隔。己二酸和己二胺作为试验室试剂,怎么完结大规划低本钱出产原资料是个大问题。通过杜邦公司的不懈努力,总算在 1938 年 7 月初次完结较低本钱出产出聚酰胺纤维,当年 10 月 27 日,杜邦公司宣告国际上第一种组成纤维诞生,并正式命名其为尼龙。

尼龙的创造,从 1928 年杜邦公司决议赞助纯科学研讨,到 1939 年彻底完结工业化出产,前后历时 11 年,耗资 2200 万美元。惋惜的是,创造人卡罗瑟斯并没有看到尼龙资料运用的那天。聚酰胺 66 成功在试验室组成后的第二年,卡罗瑟斯成为了第一个当选国家科学院的有机化学家,即便如此,作为抑郁症患者,他始终认为自己在科学研讨上是失利的, 1937 年,卡罗瑟斯服用氰化钾自杀。

天才离去,可是他创造的尼龙资料却继续造福人类。杜邦公司把握了尼龙纤维组成工艺后,在 1939 的旧金山国际博览会上,以产品“尼龙长筒袜”首秀,引起轰动,人们从来没有见过这种“像钢铁相同巩固,像蛛网相同精密”的资料。1940 年,尼龙丝袜开端揭露出售,上市第一年,美国总共卖出了 6400 万双尼龙丝袜,全国各地的妇女都在排队购买。

图|女性正在查看尼龙丝袜

后来,美国参加第二次国际大战,尼龙成为降落伞的首要资料,用来替代亚洲丝和麻。进一步,尼龙开端替代金属制品,尼龙树脂成为了齿轮、凸轮和阀门的首要资料。

困扰科学家 80 年的问题

时至今日,尼龙的组成工艺现已十分老练,可是底子的原理并没有发生质的改变。杜邦公司在 20 世纪 30 年代建造的尼龙出产工厂,运用了其时的最新技能,这些技能,依然是今日化工厂的模型。

己二酸作为尼龙组成中最为要害的一步,其组成办法总共有两种。其一是由杜邦公司开发,先制备环己烷,在高温高压下催化,得到 KA 油,从而运用很多硝酸再催化,得到己二酸。其二是日本旭化成公司开发,先用环己烯制备环己醇,再用硝酸催化,相同得到己二酸。

图|当时制备己二酸的两种干流工艺办法

可是不管用哪种办法,都会带来难以处理的问题:能耗与污染。在严苛的高温高压反响环境下,硝酸作为两种工艺的一起催化剂,会腐蚀设备,一起会发生温室气体氮氧化物。依据计算,己二酸出产过程会发生很多的温室气体一氧化二氮,占有全球一氧化二氮排放量的 10%。

李爱涛介绍说,在曩昔的几十年中,化学家一直在寻觅不必硝酸的新组成工艺,但成果并不抱负。最新的研讨选用重金属催化,替代硝酸,可是安稳性较差。运用重金属又要处理重金属收回问题,本钱并不低。

此外,传统的工艺办法现已沿用了几十年,在安稳性、出产本钱上都现已做到了最优。除非呈现一种全新理念的组成工艺,不然企业没有动力重建产线。

而现在,李爱涛团队的研讨效果,彻底从一个全新的视点切入,为这一困扰了业界超越八十年的难题带来了处理的曙光。

生物结合化学:用酶催化

酶是一种由活性细胞发生的、具有高度催化作用的蛋白质或 RNA,是一种天然催化剂。李爱涛团队的研讨方向,便是用酶来替代硝酸,催化环己烷在常温、常压下生成己二酸。

李爱涛介绍说,在催化环己烷生成己二酸反响中,需求 8 种酶。他们先把这8种酶植入大肠杆菌,再将大肠杆菌放入环己烷悬浮液,常温常压下即可完结己二酸的转化。

那为什么不把酶直接和环己烷混合,而是要凭借大肠杆菌呢?

图|李爱涛团队运用生物催化制备得到己二酸

由于酶的化学反响,还需求其它辅助因子的协助,这些辅助因子天然存在于大肠杆菌的细胞内。李爱涛说,我们不必大肠杆菌也能够,可是要专门收购那些“辅助因子”,比较贵重。而大肠杆菌是简单培育的,将 8 种酶植入大肠杆菌,凭借其内部的辅助因子及其循环系统完结催化反响,是一种省力、低本钱的处理办法。

图|酶的 3D 图画

当生物催化剂参加环己烷悬浮液后,反响开端。第一个催化底物分子进入酶的催化中心,变成产品,被释放出来,从而第二个、第三个底物分子再重复相同的反响,直至催化反响完结。李爱涛介绍说,这个反响中,最要害的是酶的安稳性。在长期催化反响下,酶作为一种蛋白质,或许会失活。

怎么保持酶的活性,这是李爱涛团队未来的要点研讨方向。在论文宣告后,企业的咨询电话接二连三,咨询的问题无非是本钱和安稳性的问题。关于工业出产来说,安稳的高功率产出是准线。

工业化运用的间隔

李爱涛团队的研讨效果走通了一种新的己二酸组成工艺流程,这种新工艺摒弃了硝酸这种高腐蚀、高污染的催化剂,一起将反响条件从高温、高压转变为常温、常压,这是质的改变。

关于新工艺的功率与安稳性问题,李爱涛坦承还需求进一步的提高。该团队现已完结了 1 升和 5 升反响系统的试验,更大规划的试验正在规划傍边。在功率查验上,通常用每升反响系统发生多少克己二酸来衡量。当时,新工艺可用 1 升反响系统发生几克己二酸,我们未来要到达工业化出产的功率,最少要做到几十克乃至上百克。

李爱涛对改善酶的催化功率和安稳性有决心。由于当时对酶进行改造,提高其功能的技能和办法都现已比较老练。

一般来说,酶的改造有两种办法,一种对错理性的,便是随意对酶的结构进行更改,科研人员并不清楚哪里是影响活性的要害方位,随机改造再检测活性,或许“中彩票”。另一种便是理性改造,根据结构信息,弄清楚哪些要害部位会影响酶的活性,定向改造。现在,AI 技能和机器学习技能在生物工程范畴的运用,加快了理性改造酶的速度。

试验成功,与工业运用是两回事。回看 1935 年聚酰胺 66 的创造,也并不是一往无前。卡罗瑟斯在研讨起先,组成了多种聚酰胺,功能均不抱负。即便是 1935 年头组成的聚酰胺 510,也由于熔点太低、原资料太贵,不具备商业化价值而抛弃。但重要的是,卡罗瑟斯等人的研讨走在了正确的路上,方向没有错,创造尼龙仅仅时间问题。

假以时日,全新的生物催化组成己二酸工艺或许会敞开新的尼龙资料年代。

赞( 795 )
未经允许不得转载: 亚搏 » 世界学者用大肠杆菌制作绿色尼龙,有望打破80年污染难题