环保可回收塑料的诞生

环保可回收塑料的诞生

2025/05/28

环保可回收塑料的诞生 通过共混微生物衍生的聚合物来改进现有的聚乳酸

减轻环境负担可生物降解的生物塑料的使用是必需的。目前最常用的生物塑料是由乳酸聚合而成聚乳酸然而，它的使用受到限制，因为它不够坚固或不可生物降解。 2024年3月，AIST和神户大学与钟化株式会社合作，独特聚合物“LAHB”与聚乳酸的混合物通过做聚乳酸性能改进成功我宣布我做到了(2024/03/26 新闻稿）。这项研究始于 2008 年。研究人员进行了哪些研究？他们如何结合努力的成果来提高生物塑料的性能？我追随他的脚步。

通过进化工程创造的聚合物“LAHB”

　为了保护全球环境，迫切需要转向“循环经济”，即重复利用资源、减少浪费和循环的生产经济体系。 （AIST 杂志“什么是循环经济？」 ）

生物塑料作为一种可以实现循环经济的材料而备受关注。 （AIST 杂志“什么是生物塑料？」）

聚乳酸目前被广泛用作生物塑料。然而，这种生物塑料机械脆性大，除非放置在工业堆肥等炎热、潮湿的环境中，否则无法被微生物分解，因此其生产和使用受到了限制。为了解决这些问题并促进生物塑料的推广，已经开展了许多研究，包括国家项目。

　AIST 于 2024 年 3 月发布的研究始于合成与聚乳酸共混的新型聚合物 LAHB。顾名思义，它是以乳酸（LA）和3-羟基丁酸（3-HB）为单体的共聚物。进行这种合成的酶不是天然的，而是通过进化工程人工创造的。

　这种新酶是由信州大学水再生研究所的田口创造的。 “合成塑料等聚合物的微生物存在于自然界中。然而，由于某种原因，尚未发现能够合成含有乳酸的聚合物的微生物，”他解释道。从 2000 年左右开始，在他想要创造世界上不存在的东西的好奇心的驱使下，他开始开发一种酶，可以让微生物制造含有乳酸的聚合物。

　田口说：“我们人类自生命诞生以来，经过大约38亿年的进化，才进化成了这个形状。进化是自然发生的，但需要极其漫长的时间。因此，进化工程是加速进化的一种尝试。”为了合成 LAHB，研究人员人为突变了该酶的基因，创造了一种酶，可以将乳酸融入仅由 3-HB 制成的聚合物中。他们成功地让微生物产生这种酶，并于 2008 年创造了产生 LAHB 的细菌。

LAHB是由微生物合成的，根据其分子量、乳酸含量以及乳酸和3-HB的排列，可以产生无限多种类型，因此田口继续他的研究，以分化和大规模生产LAHB。 2021年，该项目将由新能源和产业技术综合开发机构（NEDO）委托进行，以实现商业化。已经成功实现生物塑料商业化的钟化株式会社也对LAHB寄予厚望，参与了该项目。

　现阶段，我们需要能够将 LAHB 和聚乳酸混合并评估其性能的人。在这里，一位熟人向他介绍了AIST多材料研究部门的今井。

　“钟化已经进行了将聚乳酸与微生物产生的聚合物混合的研究，但这是我们第一次混合含有乳酸的聚合物。我们很高兴看到会发生什么，”田口回忆道。

被要求评估这些特性的今井也谈到了他当时的感受，他说：“我很惊讶我们已经能够进行可评估数量的生物合成。在研究塑料时，我感觉到从石油基塑料到生物基塑料的转变，所以我很高兴遇到这个话题。”

克服生物塑料“聚乳酸”的弱点

　今井是复合材料（复合材料）领域的专家。过去，我们拥有通过将各种聚合物与陶瓷颗粒和碳基材料混合来对其进行改性的经验。这次，我们创建了一种名为聚乳酸和 LAHB 的聚合物混合物，并使用从薄膜中冲出的哑铃形样品进行拉伸测试。

拉伸测试的结果是，聚乳酸/LAHB共混物能够伸长超过200%，而聚乳酸试片在断裂前仅伸长几个百分点。这一结果表明“通过混合 LAHB 可以显着改善聚乳酸的脆性。”

　我们还评估了生物降解性，这是聚乳酸的另一个问题。聚乳酸不易生物降解，除非放置在工业堆肥等炎热潮湿的环境中。另一方面，已知由微生物合成的LAHB即使在土壤和海洋等低温环境下也可完全生物降解。

　我们以生物降解过程中消耗的氧气为指标，研究了聚乳酸/LAHB共混物的分解程度。结果表明，不仅原本可生物降解的LAHB，而且聚乳酸也被生物降解。通过共混LAHB，分解范围扩大到了原本难以生物降解的聚乳酸。”今井解释道。

　其机制可以考虑如下。首先，“聚乳酸/LAHB混合物”中的LAHB被微生物生物降解，聚集在那里的微生物的降解作用延伸到聚乳酸。 LAHB 的这种作用迄今为止尚未有报道，Imai 等人的研究小组将其称为“降解开关”。

改革机制的阐明

　通过将LAHB与聚乳酸共混，解决了聚乳酸的脆性和生物降解性问题。 Imai 说：“从拉伸测试结果可以看出，不仅机械性能得到了改善，生物降解性也得到了改善。但是，透明度并没有受到影响。通常，当你尝试改善某些性能时，其他性能会下降我很惊讶他们能够做这么多好事。”

　今井继续他的研究，试图阐明产生这些特征的机制。当他们仔细观察聚乳酸和LAHB如何混合的结构时，他们发现LAHB像岛屿一样分散在聚乳酸的海洋中。

　“这个岛的大小约为 20 nm，小于可见光的波长，因此聚乳酸/LAHB 混合物是透明的。这表明聚乳酸和 LAHB 很容易混合，”Imai 观察到。

LAHB的探索，着眼于实际应用

不知道聚乳酸/LAHB共混物的实际应用是否会很快到来？田口是这样看的。

　如果要使用LAHB作为塑料的替代品，就必须增加产量。但是，如果将其用作主流的聚乳酸的改性剂，则即使少量也可以使用。但是，商业化需要生产设备的开发。既然这是必要的，我们就需要寻求有技术诀窍的人的合作。另外，如果我们可以使用LAHB制造出具有各种性能的聚乳酸，聚乳酸的用途将会扩大。将来，我们愿意考虑与塑料用户的合作。

为此，需要生产的 LAHB 的类型和数量将通过今井对聚乳酸/LAHB 共混物的特性评估来明确。

　至此，我们进入了实际应用阶段，今井成为了LAHB的订购者。为此，与田口一起在信州大学水再生组织工作的 Takashi 将负责 LAHB 的生产。 Taka是2021年才加入研究团队的，在处理微生物方面非常熟练。 Takashi笑着说：“虽然LAHB可以通过多种方式制造，但它是由微生物合成的，因此条件的微小差异可能会导致结果的变化。我们正在努力制造今井先生要求的具有一定质量水平的LAHB。进行解决实际应用问题的研究是很有趣的。”

　今井对 Taka 非常信任。他说：“你可能会认为在试管等人工环境中化学合成LAHB比调整微生物的条件更好，但过去的研究表明，通过化学合成很难生产微生物产生的那种LAHB。这就是我依赖Taka博士的原因。”他强调了“生物制造”的特点，如果没有微生物的力量就无法实现。

　“如果高先生能够通过生产工艺研究进行创新，今井先生能够通过产品研究进行创新，我认为我们可以将其商业化。”田口说。田口25年前开始的聚乳酸研究，通过今井和隆的研究已经成熟，现在正在走出实验室，走上实际应用的道路。