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最新消息| ...二氧化碳為原料的可降解塑料全合成,為材料產業提供“負碳生產... | 2022-06-27 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"http://k.sina.com.cn/article_1738690784_67a250e00190132xn.html" 塑料污染是21世紀最嚴峻挑戰之一。人類的活動產生大量的塑料廢棄物，形成白色污染，損害生態和人類健康。 目前，人們通常使用焚燒和掩埋處理塑料廢棄物。但這兩種方法都會帶來進一步的環境污染問題，掩埋占用土地資源，不僅處理時間漫長，還會污染環境；而焚燒產生的有毒氣體和煙塵還會造成環境的二次污染。 因此，生產可降解塑料代替傳統塑料，從生產源頭上避免污染，被認為是解決塑料污染問題的終極方案。綜合各種因素，聚乳酸（PolylacticAcid，PLA）是當前最為理想的候選可降解聚合物。 傳統的PLA制造以玉米等糧食作為生產材料，會導致材料生產與糧食供應產生資源競爭，其可持續性存在問題。因此，以非糧原料為基礎的新一代PLA工業生產技術亟待開發。圖丨上海交大陶飛研究員為該論文通訊作者之一（左），上海交大博士生譚春林為該論文第一作者（右）（來源：陶飛） 近日，上海交通大學生命科學技術學院食品與環境生物技術團隊（FEMlab）使用合成生物學技術開發了新一代可降解塑料PLA的“負碳”生產技術，為這兩個問題的協同解決提供了新思路。 他們在光驅動藍細菌平臺上使用代謝工程和高密度培養的組合策略，在國際上首次以二氧化碳為原料，直接合成可降解塑料PLA。 該技術不僅可解決塑料污染、PLA生產的非糧原料替代問題，還能在合成PLA的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。圖丨相關論文（來源： GreenChemistry） 4月14日，相關論文以《藍細菌細胞工廠直接碳捕獲生產高性能生物可降解塑料》（Directcarboncaptureforproductionofhigh-performancebiodegradableplasticsbycyanobacterialcellfactory）為題在線發表在國際著名刊物?GreenChemistry?上[1]。 首次建立自養微生物細胞工廠，用“一步法”將二氧化碳直接合成PLA 這種新一代的PLA生產技術，與以往PLA的制造思路完全不同。該團隊首次建立自養微生物細胞工廠，直接以二氧化碳為原料一步實現PLA的生物合成。 該團隊經過3年的不斷探索與技術迭代，在PLA合成的研究中，攻克了碳流重定向、藍細菌生物量低、生長速度過慢等難點。圖丨 二氧化碳自養合成?PLA?的合成途徑（來源：GreenChemistry） 一方面，解決碳流重定向的問題。簡單來說，如何在二氧化碳進入細胞后，使碳最終能夠流向聚合物PLA。 為解決這個問題，該團隊嘗試了多種方法，在系統代謝工程方面做了大量工作。通過優化關鍵酶的表達水平，即增強丙酰輔酶A轉移酶（propionyl-CoAtransferase）與聚羥基脂肪酸合成酶（polyhydroxyalkanoatesynthase）的表達。 同時，使用sRNA工具組合敲低了藍細菌的4個基因，將碳通量重定向到PLA生物合成，采用輔因子自循環系統增加輔酶的供給，顯著增加了PLA的產量。 另一方面，由于藍細菌自身的特性，導致其生長密度不夠高以及生長速度不夠快。 針對該工藝問題，該團隊自主研發了一種新型光反應器，對光譜做了系列優化，并采用可控的漸變光強方式，使藍細菌細胞生長得更快、更密。同時，他們還使用微米氣孔曝氣、培養基優化等方法提高了生物量。 通過代謝工程和高密度培養的組合策略，研究人員將藍細菌的細胞密度提升了10倍。在最佳培養條件下，藍細菌在7天內最高細胞密度達OD730nm15.0，其產生的PLA濃度為108.0mgL，比最初構建的菌株高約270倍。 陶飛認為，該指標已經十分接近酵母菌的生長水平。同時，這也說明了藍細菌還有很大的代謝潛力可供挖掘。圖丨高密度培養的PLA生產策略示意圖（來源： GreenChemistry） 此外，與傳統的用藍細菌生產小分子化合物的技術相比，該技術的產物回收更加經濟。藍細菌生產產品的一大挑戰在于合成產物的濃度較低，產品的提取需要濃縮等操作，步驟繁瑣、能耗大、產物回收成本高。 而該技術直接在藍細菌細胞內積累固體產物。通過該團隊用自主研發的“絮凝法”不需要使用高能耗的“離心法”，即可在細胞成熟后，讓其自然地沉降在容器底部。實驗結果表明，在重力沉降5分鐘后，絮凝率大于99%。 陶飛表示，通過這些代謝工程的改造，和高密度培養工藝，生產PLA的產量提升了20多倍。并且，藍細菌細胞的PLA分子量（Mw,62.5?kDa;?Mn,32.8?kDa）是迄今文獻報道中生物聚合的最高水平之一，可以滿足PLA的多種應用需求。圖丨生產PLA時，使用不同的表達的優化（來源： GreenChemistry） 與其他技術相比，該技術具有“一石三鳥”的作用。不僅可解決塑料污染、生物制造的非糧原料替代問題，還在合成PLA的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。 第一，解決塑料污染的問題。解決白色污染的根本方案是使用可降解塑料，來代替傳統的不可降解塑料。新一代的PLA生產技術，為可降解塑料生產，提供一種可持續的發展策略，從而為可降解塑料的替代提供保障。 第二，解決PLA生產中潛在的“與人爭糧”“與糧爭地”問題。值得注意的是，以糖基化合物作為原料合成可降解塑料，對于需要大宗生產的PLA來說，不是一種可持續發展策略。這個過程需要消耗大量糧食，其制造工藝的大規模鋪開將不可避免地面臨“與人爭糧”或“與糧爭地”的問題。 這一新技術將合成的過程“化繁為簡”，把“二氧化碳-糧食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫長的合成過程,轉變為一個合成的“長鏈條”（代謝途徑）裝進細胞中，直接使用二氧化碳為原料，不再依賴糧食原料。 第三，在PLA的合成過程中直接捕獲二氧化碳，將二氧化碳“變廢為寶”，可實現減碳、助力“碳達峰”。以廢棄的溫室氣體作為原料生產材料，能夠在減碳的同時實現高值產品的制造，在經濟性上更有吸引力，可幫助實現減碳的加速發展。 具備經濟、社會、環境的多重效益，及工業化生產前景 從國家的宏觀政策層面，經歷了從“限塑令”到“禁塑令”的變化。2007年12月，國務院辦公廳頒布《關于限制生產銷售使用塑料購物袋的通知》；2020年1月，國家發改委、生態環境部發布《關于進一步加強塑料污染治理的意見》。 此外，塑料的市場規模也不容忽視，根據美國調查機構GrandViewResearch的數據，“2019年中國塑料包裝市場規模541億美元，預計到2025年，中國塑料包裝市場規模將達到698億美元。如果以30%的可降解塑料替換率進行推測，預計2025年中國可降解塑料包裝市場規模約209億美元。” 這種通過藍細菌生產可降解塑料的技術，為聚合物的大規模生產提供新的借鑒思路。而該技術工業化的大規模生產的關鍵，取決于生產成本。據該團隊估算，這種新的PLA生產方法將低于現有可降解塑料的生產成本。 陶飛表示，這里的生產成本并未考慮市場條件變化的因素。如糖基原料的價格上漲、碳交易與碳稅政策出臺等。一旦這些市場因素發生變化，那么，該技術的成本優勢會進一步增強。圖丨PLA均聚物在工程化中的積累特性（來源：GreenChemistry） 那么，該技術的未來發展有怎樣的可能性呢？ 一方面，該方法將減碳與塑料生產相融合。該團隊計劃在日后使用無碳的可持續發展方式——直接用太陽能或新能源所產生的電作為生產PLA能源，使用電廠碳排放或者直接使用空氣中的二氧化碳作為碳源。這符合全球提倡的“碳減排”“碳達峰”模式，未來將會形成“負碳”制造產業，也將帶來規模的經濟效益。 另一方面，該技術會帶來雙重環境效益。塑料污染和氣候變暖都是重要的環境問題。可降解塑料尚處于早期發展階段，用可降解塑料替代傳統的塑料是未來發展趨勢，這也意味著該領域有巨大的發展前景。通過減碳解決溫室效應，也已經成為國際發展趨勢。該技術為同時解決這兩個環境問題提供了方案。 此外，該技術可用于高性能PLA制造。當前，PLA被廣泛地應用于在化學、醫療、制藥和3D打印等領域。該技術采用生物法合成，與傳統的化學法相比，沒有重金屬催化物殘留的問題，使該技術生產的PLA在高端的領域應用前景更加廣闊。 陶飛舉例說道：“比如醫用的手術縫線，其中的PLA不允許含重金屬成分，而生物法合成的PLA可以滿足這一要求。”（來源：GreenChemistry） 該團隊下一步的研究重點是提高PLA的細胞干重占比，擬將細胞干重的比例進一步提升到50%?以上。 陶飛表示，一方面，用蛋白質工程的方法對關鍵酶進行改造。“我們發現酶的催化性能存在一些問題，目前已經用AlphaFold2把它的結構預測出來了，正在進行深入的蛋白質工程研究。接下來，我們將重點研究如何提高它對前體物質的親合力以及PLA鏈聚合速度，以實現提高酶的催化效率，讓PLA的整體產能更高。”他說。 另一方面，為工業化生產做準備。該團隊希望能把細胞底盤的魯棒性進一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐鹽等能力。此外，在產品中試之前，該團隊還計劃針對細胞的自絮凝進行相關研究。 對于該技術的未來發展，該團隊也有清晰的規劃。陶飛表示，“我們計劃通過3-5年的持續投入，進行中試和全鏈條的優化，將各方面指標提升至工業化水平。” 研究藍細菌生物技術?10?余年，專注于智能代謝重編及光驅動合成聚合物 該團隊具備合成生物學、生物信息學以及工業發酵的多學科交叉背景。他們的科研方向為合成生物學，主要通過細胞代謝網絡的設計和重塑開發細胞工廠，從而實現生物基產品的綠色制造。團隊提出并發展了“智能代謝重編”理念，積累了豐富的工業微生物底盤資源，在高溫細胞工廠、光驅動細胞工廠取得多項成果。 該項目受到科技部國家重點研發計劃合成生物學重點專項青年項目（超進化聚球藻底盤細胞的設計構建，資助號2018YFA0903600）的資助，該項目的首席科學家為上海交通大學生命科學技術學院研究員陶飛，同時，他還是青年長江學者、上海市青年科技啟明星、上海市浦江人才。 圖丨上海交大FEMlab團隊部分師生合照（來源：陶飛） 該團隊從事藍細菌方面研究已有10余年，已形成較為成熟的體系。此前，他們在智能代謝重編和光驅動合成方面做出系列重點工作。例如高溫乳酸發酵技術，基于對細胞代謝網絡的認識，找到它在代謝網絡里的敏感節點進行操作，與傳統代謝工程相比細胞工廠開發速度更快。產量突破200gL，迄今仍是文獻報道中的最高水平[2]。 光驅動制造方面，2019年，該團隊獲得國家重點研發計劃的支持（2018YFA0903600）后，開始重點研究藍細菌底盤在聚合物的生產上的應用。從2010年開始，先后在藍細菌底盤實現了C3平臺化合物甘油、DHA[3]、乳酸[4]、丙二醇[5]等從小分子化合物以及多種芳香化合物的光驅動制造[6]。 對于生物制造的未來發展，陶飛認為，生物制造領域的可持續發展必須要考慮制造原料的非糧化，二氧化碳為代表的C1原料潛力巨大。用C1原料開展生物制造，能夠同時滿足“不與人爭糧、不與糧爭地”的要求。“我認為這也是國際上先進科技的未來戰略制高點之一，誰能把它做得更好，誰就掌握了生物技術的未來命脈。” 此外，他還認為，合成生物學會向智能化和多技術融合的方向發展。目前，科學家已經通過AlphaFold對蛋白質結構進行預測。AI在生物領域的應用正在迅速發展。未來，AI技術滲透到合成生物學領域一定會產生一些革命性成果，尤其是用AI進行代謝網絡的學習和設計方面。這也是團隊“智能代謝重編”方向的努力目標之一。 此外，高通量、自動化等先進技術手段融合到合成生物學領域也是當下的熱點和趨勢。陶飛舉例說道：“微流控、液體工作站等高通量技術、正在興起的單細胞技術都會幫助合成生物學的研究產出真正的大數據，進而為AI提供強大的數據驅動力，最終讓我們對代謝網絡的操控，真正達到可預測、可計算和可設計的水平。” 關鍵字標籤：CNC塑膠加工 Service UnavailableThe server is temporarily unable to service your request due to maintenance downtime or capacity problems. 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