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可降解塑料真能从草里“长”出来?

发布时间:2015-5-8 11:06:08 浏览:

    每天我们被各种塑料制品包围,塑料已经成为生活中不可或缺的部分。不过在带来便利的同时,不可降解塑料也带来了环境污染。为此,科学家一直致力于研发成本低廉、性能优异、不污染环境的可降解塑料。在众多制造方法中,一种从“塑料草”中获取可降解塑料的方式颇为吸引人。

    近日,来自美国马萨诸塞州Metabolix公司的科学家开发出一种新方法,能够直接从植物中获取可降解高分子聚合物。研究人员称这种用“塑料草”生产可降解聚合物的方法,不但节能环保,成本也还不到目前普通可降解高分子聚合物的一半,具有极大的市场潜力。

   一般人印象中塑料是人工合成的,而植物则是天然生长的,难道在植物中真的能“长”出塑料吗?

   其实这个过程并不神秘,很多微生物在自然生长的过程中,会天然合成一种细胞内聚酯。这种名为PHA(聚羟基脂肪酸酯)的一系列物质,是高分子生物材料,具有良好的生物相容性能、生物可降解性和塑料的热加工性能,可以依据生物高分子材料学知识,被提取出来,合成可降解塑料。

   PHA是一个庞大的“家族”,其中包含150种以上的单体结构,PHA中有一种名为PHB (聚β-羟基丁酸)的物质,则是“主角”。美国研究人员花了几年时间将新基因序列植入柳枝稷(一种草)内,就是为了让改变了基因结构的柳枝稷把二氧化碳转换成为PHB。

   为什么众多植物中,科研人员偏偏就看中了柳枝稷呢?

  柳枝稷生命力极其顽强,具有耐干旱、耐盐碱、耐贫瘠、适应性强的特性,种植管理简单,在干旱、半干旱地区和低洼易涝、盐碱地区以及土壤贫瘠的山区、半山区均可种植。本次科研人员垂青于柳枝稷,还在于它生长快速、高产量、高碳。适应性强、产量高则意味着PHB生产成本有望被压缩。

   根据美国科研人员的估计,PHB的质量必须占到柳枝稷20%才能完全符合需求。早期实验平均只能达到1.2%,去年提高到2.3%。不过有部分的柳枝稷PHB含量能够达到7%,所以美国科学家认为这种基因改造的方法很有前途。

   科学家十分重视包括PHB在内的PHA一族可降解高分子聚合物的研发。PHA里面含有150种不同的结构,可以从这些结构中获得非常有弹性的材料、刚性的材料、生物医用材料以及对温度敏感的材料,对pH敏感的材料等等。 当然PHA也有缺点,因其制造过程比较复杂,所以价格相对较贵。

   让植物大量生产塑料技术没问题,成本还得降。微生物发酵生产是获得生物可降解塑料PHA、PHB等的主要途径,它比利用转基因植物生产PHB的方法目前要简单。迄今为止,已发现土壤中超过30%以上的细菌能胜任这个工作。通常在自然环境中,微生物能储备干燥菌体质量5%至20%的PHB。

   目前生物合成PHB的两种方法,即微生物发酵法和转基因植物法中,微生物发酵法还是更加“主流”的。因为转基因植物法生产的PHB一般只能达到植物质量的5%左右,7%目前来说虽然有进步,但是只是个例。而且植物一般都有非常坚硬的纤维素,它们将PHA或PHB包在里面,要想将有用物质从整体中提炼出来,是有一定困难的,因此成本显然较高。所以,未来10至20年从植物中大量生产塑料从技术角度讲是可以实现的,但是从经济角度还是不现实的。

    将PHB提取出来的方法有很多种,提取方法是否高效、纯度是否理想,都会在一定程度上影响它的成本。

    比如,因为PHB是积累于细胞内不溶于水而溶于一些有机溶剂的大分子聚酯,所以可利用这种特性,采取溶剂提取法生产PHB。应用于溶剂提取法的有机溶剂较多,如氯仿或醋酸丁酯等。

   我们还可以使用物理方法提取PHB。从细菌中提取PHB通常首先采用高压均质或高速珠研磨破坏细胞壁。将干细胞粉碎后,再利用PHB颗粒物直径的差异在液相或气相中分离,就可以获取产物。

   PHA在医药领域常用来制造外科缝线、肘钉、骨骼替代品、血管替代品等。另外,它因有良好的生物降解性,其分解产物可全部为生物利用,对环境无任何污染,所以在农业上可以被用来制造长效农药、肥料的生物降解载体等,工业上则可以用来作为包装材料、卫生用品、尿布、光学活性材料等。

   可降解塑料和不可降解塑料各有各的用途。不可降解塑料中的PE(聚乙烯)等,经过一个世纪的开发,克服了很多技术上的困难,已经很成熟,而且成本较低,而目前生物材料比较贵,因此短时间内可降解塑料还是不能替代不可降解塑料的。

    而且在制造一些塑料制品 (如建筑材料等)时,我们不希望它降解而是希望它越经久耐用越好。这种需求也决定了不可降解材料还有存在的必要。

    PHA的优点很多,但这种材料还有一些不尽如人意的地方,比如分子链结构使得它比较容易结晶,这意味着PHA制作的材料非常“脆”,经不起长期使用和强力的冲击。它的亲水性也不好,会限制它在生物医学领域的应用。此外,PHA中,PHB的熔点与分解的温度很接近,也就是说加工温度稍高,它就分解了,而温度低则会使其不易成型。不过通过改性,不仅能够保留它本身原有的优良性能,改变其缺点,而且还能为它赋予一些新的特性。比如,PHB易结晶就是因为其分子结构十分规整,为防止材料发脆,可以在细菌发酵生产时将其他羟基脂肪酸链节单元加在PHB的分子链段上,这种生物改性的方法能降低结晶度和熔点,当然材料的抗冲击性能和加工性能就会得到改善。

   还有PHB物理改性的方法,即将PHB通过与生物降解材料混合成新型材料。这种取它物之长,补自己之短的方法可以在一定程度上改善PHB的热塑性,提高其机械性能。

   化学改性是生物改性和物理改性外的另一种重要方法,即以PHB本身的分子结构为基础,通过分子设计来合成含有PHB链段的新结构,从而使原来的 PHB分子链规整度下降,进而提高了PHB的柔性、弹性和亲水性。

  总之,PHA是世界上公认可完全降解的生物塑料新型材料。针对它的研究还有很多,希望大家能关注我们的研究,使这种可降解材料广泛地用在生活的方方面面,更好地为我们服务。