利用細菌製造可再生、可無限回收的塑料

主要要點：

• 研究人員對大腸桿菌進行了工程改造，使其能將來自植物的糖轉化為生物可再生塑料的原材料。

• 這些生物可再生塑料被稱為PDKs，這是一種新型塑料，能夠高效地進行無限次回收。

• 用生物替代品取代石化產品擴展了PDK的工作溫度，為汽車行業及其他領域的應用開辟了新的可能性。

• 即使是小幅度的改進，使用生物替代品在短期內可能既比石化產品更環保，也更具經濟性。

塑料垃圾是一個問題。大多數塑料無法被回收，許多塑料則使用有限且污染的石化產品作為基本原料。但這一情況正在改變。 

在今天發表於《自然可持續性》（Nature Sustainability）期刊的一項研究中，研究人員成功地對微生物進行工程改造，以製造一種無限可回收塑料——聚（雙酮胺）（poly(diketoenamine)），簡稱PDK所需的生物替代起始材料。

這一發現來自於美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）三個設施的專家合作：分子工廠（Molecular Foundry）、聯合生物能源研究所（JBEI）和先進光源（Advanced Light Source）。

“這是首次將生物產品整合起來製造以生物為主的PDK，”該項目的負責人、分子工廠的工作科學家Brett Helms表示。“而且這是首次看到使用生物材料相比於石化產品的優勢，不論是材料的性能還是大規模生產的成本。”

與傳統塑料不同，PDK可以反覆被解構為原始構件並無損失質量地形成新產品。最初，PDK使用的基本構件來自石化產品，但這些成分可以重新設計並通過微生物進行生產。經過四年的努力，協作團隊利用大腸桿菌將來自植物的糖轉化為一些起始材料——一種名為三乙酸乳酸酯（triacetic acid lactone，或bioTAL）的分子，並生產出約80%生物含量的PDK。

“我們已經證明，實現可回收塑料的100%生物含量的途徑是可行的，”參與生物聚合物開發的項目科學家Jeremy Demarteau表示。“未來你們將會看到我們的成果。”

聚（雙酮胺）（PDKs）可以用於各種產品，包括粘合劑、靈活項目如電腦電纜或手錶帶、建材，還有“堅韌的熱固性塑料”（tough thermosets），這是一種通過固化過程製作的剛性塑料。研究人員驚訝地發現，將生物三乙酸乳酸酯（bioTAL）納入材料中，擴展了其工作溫度範圍，比石化版本高出多達60度攝氏。這為需要特定工作溫度的產品（如運動設備和汽車部件，諸如保險杠或儀表板）使用PDKs打開了大門。

解決塑料廢物問題

根據聯合國環境規劃署的估計，全球每年產生約4億噸塑料廢物，預計到2050年這一數字將攀升至超過10億噸。在已經產生的70億噸塑料廢物中，只有約10%被回收，其餘大部分被丟入垃圾填埋場或焚燒處理。

“我們不能再繼續利用日益減少的化石燃料來滿足對塑料的無止境需求，”Jay Keasling表示，他是加州大學伯克利分校的教授、伯克利實驗室生物科學區的高級科學家，以及JBEI的首席執行官。“我們希望通過創造既是生物可再生又是循環的材料來幫助解決塑料廢物問題，並為企業提供使用這些材料的激勵。這樣一來，人們可以在需要的時候擁有所需的產品，然後這些物品就能轉化為新的形式。”

今天發布的研究還基於2021年的一項環境和技術分析，該分析顯示PDK塑料如果能夠大規模生產，就能在商業上與傳統塑料具有競爭力。

“我們的新結果極具鼓舞人心，”伯克利實驗室能源技術區的工作科學家、JBEI副總裁Corinne Scown表示。“我們發現，通過對生產過程進行一些適度的改進，我們很快就能生產出成本更低且二氧化碳排放量少於使用化石燃料製成的生物基PDK塑料。”

這些改進將包括加快微生物將糖轉化為生物三乙酸乳酸酯（bioTAL）的速度，使用能夠轉化更廣泛的植物衍生糖和其他化合物的細菌，並以可再生能源為設施供電。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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