研究人员开发出全新化学技术 可生产可持续的生物石油

据外媒报道，美国国家科学基金会可持续高分子聚合物中心（National Science Foundation Center for Sustainable Polymers）的一组研究人员开发出结合发酵和化学精制的化学技术，能够从可再生植物中生产类似石油的液体。

（图片来源：明尼苏达大学双城分校）

当前的塑料包装、汽车零部件、润滑剂和肥皂到日常用品的生产都会使用化石燃料，而最新研发的可再生液体可作为化石燃料的更可持续的替代品。
该高分子聚合物中心位于明尼苏达大学双城分校（University of Minnesota Twin Cities），研究团队成员由上述大学和加州大学伯克利分校（University of California Berkeley）的科学家组成。
科学家们很难将植物用作塑料原料，因为植物主要由糖组成，而这些糖与从石油中获得的分子完全不同。植物中的关键糖是葡萄糖，含有过多的氧气，而六个碳原子对于许多重要应用来说非常小。为使用植物制造新材料，科学家必须解决两个问题，分别是转化过程需要从葡萄糖中去除氧原子，以及分子必须结合以生产大型产品。
NSF可持续高分子聚合物中心的研究人员开发出高效技术，可以通过结合两种通常独立的技术来制造可持续液体，其结构类似石油所获液体。首先，需要将从植物中提取的葡萄糖与微生物一起发酵，以去除大部分氧气；第二步，金属氧化物催化剂去除剩余的氧并将分子结合在一起，以形成有用的烯烃分布（烯烃是化学工业的基石）。
加州大学伯克利分校化学、化学和生物分子工程教授Michelle Chang表示：“早期，我们以为很容易就能通过发酵获得我们需要的分子，从而从葡萄糖中去除大部分氧气。我们优化了化学反应以利用分子生物学的独特能力，之后我们可以用金属纳米颗粒催化剂解决其余的问题。”
Chang教授的小组开发出一种独特的大肠杆菌菌株，可将葡萄糖转化为八碳和十碳的羟基酸，其中这些羟基酸是链末端只有几个氧原子的分子。这些微生物经基因工程优化，可从糖中“培育”出这些分子。
Chang说，目标分子旨在让氧气留在战略位置，从而使研究人员更有效地进行下游转化。而这些研究人员的组长是明尼苏达大学化学工程和材料科学教授Paul Dauenhauer。
Dauenhauer称：“Chang教授团队制造的生物可再生分子是催化精炼的完美原材料。这些分子含有恰好足量氧，我们可以使用金属纳米颗粒催化剂将它们轻松转化为更大、更有用的分子。此外，我们还能够根据需要调整分子产品的分布，就像传统石油产品一样，但不同的是，这次我们使用的是可再生资源。”
明尼苏达大学的Dauenhauer实验室筛选了大量催化剂，以证明发酵产生的生物石油分子可以转化为一系列重要的化学物质。试验结果包括用于制造塑料袋等产品使用的聚乙烯和聚丙烯等关键聚合物的小分子，和用于制造橡胶材料的中型分子。
更重要的是，需要将发酵产物分子结合在一起产生更大的分子，以作为基础制造用于清洁应用的肥皂状分子和用于润滑剂的长链分子。所选催化剂和反应条件的可能产品较多，意味着可以调整发酵-催化组合技术，以制造在制造过程（如传统石油）中的大多数未加工化学材料，但使用的是具有生物可再生资源。
与化石燃料衍生的传统产品相比，发酵和化学精炼相结合的混合方法不仅具有经济效益，同时还提高了可持续性。技术经整合可实现最低能源和最低成本的加工技术，从而发明出最全面的化学品制造方法。
NSF化学部主任David Berkowitz表示：“NSF可持续高分子聚合物中心取得的成功展示了一种真正创新的、绿色的、有价值的高分子聚合物/塑料的构建模块。通过巧妙地结合生物学和化学，Chang团队开辟了一种新的、潜在的生物可再生石油裂化替代方案。”