添加了超高分子量LAHB的乳酸断裂棒(左)在断裂面上呈现明显的白色变色，这是增韧材料塑性变形的标志。另一方面，纯聚乳酸(右)没有这种增白现象，这是材料脆性的标志。图片来源:Sangho Koh
工程细菌可以产生一种塑料改性剂，使可再生塑料更易于加工，更耐断裂，甚至在海水中也能高度生物降解。神户大学的开发为工业规模的可调生产提供了一个平台，这种材料具有将塑料工业变为绿色的巨大潜力。
塑料是我们文明的标志。它是一种高度可成型(因此得名)、多用途和耐用的材料，其中大多数在自然界中也是持久性的，因此是一个重要的污染源。此外，许多塑料是由原油生产的，而原油是一种不可再生资源。世界各地的工程师和研究人员都在寻找替代品，但没有一种替代品既能表现出与传统塑料相同的优点，又能避免它们的问题。最有希望的替代品之一是聚乳酸，它可以从植物中产生，但它很脆，不易降解。
神户大学生物塑料研究中心
为了克服这些困难，神户大学的生物工程师田口诚一(Seiichi Taguchi)和生物可降解聚合物制造公司Kaneka Corporation决定将聚乳酸与另一种称为LAHB的生物塑料混合，这种生物塑料具有一系列理想的性能，但最重要的是它是可生物降解的，并且与聚乳酸混合得很好。然而，为了生产LAHB，他们需要通过添加新基因和删除干扰基因来系统地操纵生物体的基因组，从而设计一种能够自然产生前体的细菌菌株。
工业制造需要高度的熔体张力，这可以通过加热时材料下垂的程度来证明。添加了lahb的聚乳酸(左)比纯聚乳酸(右)下垂小得多，证明它是一种更好的可加工材料。图片来源:Sangho Koh
生物塑料生产的创新
在科学杂志《ACS可持续化学与工程》上，他们现在报告说，他们可以创建一个细菌塑料工厂，只使用葡萄糖作为原料，就能大量生产LAHB链。此外，他们还表明，通过修改基因组，他们可以控制LAHB链的长度，从而控制塑料的性能。因此，他们能够生产出比传统方法长10倍的LAHB链，他们称之为“超高分子量LAHB”。
最重要的是，通过将这种前所未有的长度的LAHB添加到聚乳酸中，他们可以创造出一种具有研究人员所追求的所有特性的材料。由此产生的高透明塑料比纯聚乳酸具有更好的可塑性和更强的抗冲击性，而且在海水中一周内就能生物降解。田口对这一成就发表了评论，他说:“通过将聚乳酸与LAHB混合，聚乳酸的多重问题可以一举克服，这种改性材料有望成为一种环境可持续的生物塑料，满足物理坚固性和生物降解性的相互矛盾的需求。”
在乳酸中加入超高分子量的LAHB制成的材料是一种高度透明的塑料:在印有“PLA/LAHB”字样的纸前，圆形圆盘几乎看不见。图片来源:Sangho Koh
未来展望与环境nmental影响
然而，神户大学的生物工程师们有更大的梦想。他们在这项工作中使用的细菌菌株原则上能够使用二氧化碳作为原料。因此，直接从温室气体中合成有用的塑料应该是可能的。田口解释说:“通过多个项目的协同作用，我们的目标是实现一种有效地将微生物生产和材料开发联系起来的生物制造技术。”
参考文献:“定制生产可生物降解聚乳酸改性剂的微生物平台:超高分子量乳酸基聚酯LAHB”，2024年4月9日，ACS可持续化学与工程。DOI: 10.1021 / acssuschemeng.3c07662
这项研究是委托进行的由日本新能源产业技术开发组织(批准JPNP20005)和日本文部科学省(批准19K22069)和日本科学技术振兴机构(批准JPMJTM19YC)资助。它是。该研究是由Kaneka公司和Natio的研究人员合作进行的先进工业科学技术研究所。
