研究人员发明了用于可持续材料的生物石油

  • 2021-11-24 17:20:18
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位于明尼苏达大学双城分校的美国国家科学基金会可持续聚合物中心的一组研究人员开发了一种联合发酵和化学精炼的化学技术,可以从可再生植物。

这些可再生液体可以作为当今用于制造塑料容器和袋子、汽车零件、润滑剂和肥皂等日常用品的化石燃料的更可持续的替代品。

加州大学伯克利分校和明尼苏达大学的科学家的这项新研究在线发表在 Nature Chemistry 上,这是 Nature Publishing Group 的领先同行评审化学期刊。

科学家们很难将植物用作塑料的来源,因为它们主要由糖组成,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,它含有过多的氧气,而六个碳原子对于许多重要应用来说太小了。为了使用植物制造新材料,必须解决这两个问题——转化过程需要从葡萄糖中去除氧原子,分子必须结合以制造更大的产品。

NSF 可持续聚合物中心的研究人员发现了一种最佳技术,可以通过结合两种通常独立的技术来制造类似于从石油中获得的液体的可持续液体。首先,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。在第二步中,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、领导者 Michelle Chang 说:“我们早期的见解是,我们需要找到一种可以很容易地通过发酵制成的分子,它可以从葡萄糖中去除大部分氧气。”项目的。“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 教授的小组开发了一种独特的大肠杆菌菌株,可将葡萄糖转化为 8 和 10 碳的羟基酸,这些分子在链的末端只有几个氧原子。这些微生物通过基因工程进行了优化,以便它们可以从糖中“培育”出这些分子。

Chang 说,目标分子的设计目的是让氧气留在战略位置,以使由明尼苏达大学化学工程和材料科学教授 Paul Dauenhauer 领导的一组研究人员更有效地进行下游转化。

“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,”该研究的合著者之一 Dauenhauer 说。“这些分子含有刚好足够的氧,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。这使我们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。结果包括用于制造塑料袋等产品中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。

发酵和化学精炼相结合的混合方法具有在经济上与化石燃料衍生的传统产品竞争的好处,同时还提高了可持续性。技术被整合以找到最低能源和最低成本的加工技术,从而实现最全面的化学品制造方法。

“这是一种独特的科学方法,可以通过 NSF 可持续聚合物中心支持的不同研究小组之间的协同研究促进新的可持续技术,”中心主任兼明尼苏达大学化学教授 Marc Hillmyer 说。“团队合作和对解决问题的共同关注产生了一种新方法,这在任何一个单独的研究小组中都是不可能的。”

“NSF 可持续聚合物中心的这一进展展示了一种真正创新的、绿色的进入有价值的聚合物/塑料的构建模块,”NSF 化学部主任 David Berkowitz 说。“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。这些结果展示了 NSF 对协作性、跨学科科学的投资如何推动发展更可持续的化学工业。”

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