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采用挥发性化合物制造尼龙材料
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工程塑料展厅
聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ...
为了满足塑料橡胶行业的可持续发展需求,全世界科学家们正在努力寻求化石原料的替代原料。Max Planck研究所的科学家们成功验证了芳樟醇脱水异构酶的结构以及酶与分子结合的方式,在这个科研方向上迈出了一大步。

塑料制造业的相关从业者不仅仅只是化学家、工艺工程师以及机器设备的制造商。随着行业对可持续性发展的诉求变得越来越强烈,加上对自然资源利用的需求越来越紧迫,塑料领域的研究与应用产生了多学科的交叉互动。其他越来越多的学科比如生物学和生物技术在塑料可持续发展的过程中也做出了相当有价值的贡献。

为了满足塑料与橡胶行业对于原材料的需求,全世界的科学家们正在努力研究,寻找发现更多的可持续性资源。塑料合成物的生产过程中会用到碳氢化合物,碳氢化合物主要是从矿物油中获取的。实际上所有有机化学中使用的物质都是可以由矿物油制备而来,制备的方法过程已经非常成熟完备,并且为大众所熟知。但矿物油并不是唯一可行的原材料,事实上所有的生物质也可以作为塑料行业中的原材料,比如动植物的残骸,其本身就是化石燃料最本质的构成物。

在法兰克福Max Planck研究所生物物理学科工作的Sina Weidenweber和Ulrich Ermler研究员联手不莱梅Max Planck研究所海洋微生物学的Robert Marmulla和Jens Harder研究员,成功验证了一种酶的空间结构,以及这种酶与萜类植物香料的结合方式,通过这些研究成果可以获得制造尼龙及其他聚合物材料所需的成分。

丁二烯和异戊二烯:塑料生产的中间体

丁二烯和异戊二烯是尼龙、高熔点塑料(ABS)和橡胶生产所需要的中间体。迄今为止,丁二烯由矿物油制造所得的工艺还是极其复杂且费力的。预计丁二烯和异戊二烯每年的产量超过一千万吨,其过程消耗大量的由化石燃料产生的能量。Max Planck研究所曾发表的一篇文章中提到,丁二烯和异戊二烯每年的市场规模已经达到150亿欧元。

原油价格持续上涨但需求量也是日益攀升,所以几年前塑料制造业就已经开始寻找替代的生产方法和原材料,对此开展了许多的科研活动,比如寻找可持续发展的资源,包括可再生的原料,以及可行的植物和食物残渣。本刊之前也发布几篇文章,重点介绍了这一领域里的各种研究活动,来探究目前可行的和未来可能的一些解决方案。

精油:用来生产可持续性塑料的新途径

Sina Weidenweber和Ulrich Ermler在法兰克福的Max Planck研究所生物物理学科工作,Robert Marmulla和Jens Harder则在不莱梅Max Planck研究所海洋微生物学工作,他们联手寻找塑料生产业中有潜力的替代原料。科学家们研究了植物香料与精油的微生物处理过程,精油从化学成分上来讲其实就是萜烯和单萜醇,属于天然的含十个碳原子的碳氢化合物,五个碳原子的基本结构可以被用于塑料生产的初始阶段。

先阐述一下化学知识,因为一些基本的科学事实有助于大家弄清楚其中的因果关系。萜类是诸如桉树油、薄荷油这类精油的主要成分,萜类在植物中会自然产生,植物代谢产生不同功能的次生物质。通过释放挥发性的香料,植物可以吸引授粉动物也可以抵御外侵。

我们在日常生活中时不时地会遇到萜烯这种物质,比如典型蔷薇香料中的化合物香叶醇,也是因为萜烯才会有松林的独特香味。萜类存在食物里,也是某些药品和化妆品的成分之一。举个大家熟知的例子,柠檬烯顾名思义来自于柑橘类的水果中,但事实上柠檬烯还存在于香菜等其他植物中。

关于萜烯结构的有趣观察

萜类这种物质对于今后从事高分子研究的科学家来说显得越来越重要,那让我们来看一下单萜的化学结构,单萜的基本要素之一是异戊二烯,其分子含有五个碳原子和八个氢原子(C5H8),是一个典型的让塑料生产行业感兴趣的碳氢化合物代表。

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异戊二烯的结构

萜烯含有两个异戊二烯分子(C10),其他的萜类则是由更多数量的这种基本分子构成,比如倍半萜含三个分子(C15),三萜类化合物含六个分子(C30),对应含有十五个碳原子和三十个碳原子,以及相应数量的氢原子。由此可知,大自然提供给科学家们的研究领域极其广泛,目前上百种萜类已经被发现并归类。从事高分子研究的科学家们在该方面则需要进行数量庞大的实验,尤其是怎样将萜类变成工业规模塑料生产的基础原料,该课题需要深入探讨与研究。Max Planck研究所的科学家们在这方面的科研上已经迈出了重要的一步。

从自然界到实验室再到工业应用

迄今为止已知的萜类生产过程是在工厂的细菌室中,通过细菌充分代谢而获得,比如从萜烯转化为玫瑰气味的香叶醇,再到香菜气味的芫荽醇,最后转化成为月桂烯,这个转化的过程赋予了各个萜类物质自己独有的气味,但这并不是单靠萜类自己代谢就可以产生的,而是需要借助催化剂。

催化剂会吸附在化合物上来改变其化学性质,化合物的这种改变与代谢方式所需要从大自然获取的能量更少。在化合物转变的整个过程中,催化剂保持其成分完全没有变化,可以重复一遍遍地履行催化的任务。

在细菌、植物与动物的代谢转化过程中,用作催化剂的物质是酶。上述例子中香叶醇至月桂烯的转化被称为芳樟醇脱水异构酶。科学家们在其文章中称,这种酶也能够通过不同物质的发酵过程来获得诸如异戊二烯和丁二烯等的基础物质。比如,Dier Biotechnologie生产的活性物质,通常就是利用人体、动物,或者植物的有机组织在大型发酵工厂中,通过改良细菌、真菌,或酵母的催化作用下制得。未来,塑料制造行业中采用的基础原料也将出现生物类产品。

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芳樟醇脱水异构酶结构,五个相同的蛋白形成一个五元莲座,
图中黑色的部分是结合于酶的衬底物,蛋白螺旋的壳位于衬底上,相邻的蛋白环互相接触。

日益浮现的解决方案

Sina Weidenweber与她的同事们已经成功验证了芳樟醇脱水异构酶的结构以及酶与分子结合的方式,至少算是在这个科研方向上迈出了一大步。科学家们得出的结论是,芳樟醇脱水异构酶的催化能力使其非常适合于这项任务。据报道,在2010年不莱梅的科学家发现的酶催化的研究基础上,又出现了许多使用这种酶来制备丁二烯和异戊二烯的研究活动,相关的专利申请数量众多,同时有许多已经获得了专利。
文章内容仅供参考 (投稿) (2016-8-31)
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