尼龍是全球最廣泛使用的合成材料之一，但其生產仍然高度依賴化石燃料和消耗大量能源的工業過程。研究人員現在認為，可能存在更清潔的替代方案。在最近發表於《自然》雜誌的一項研究中，科學家描述了一種將木質素轉化為己二酸的技術，己二酸是尼龍的關鍵化學組件之一。這種方法結合了模仿煉油廠的化學處理和專門設計的微生物，這些微生物執行高度選擇性的反應。根據研究人員的説法，這一混合系統提供了比以往基於木質素的方法顯著更高的己二酸產量，這可能為尼龍生產開闢更可持續和低碳的途徑。
木質素的潛在價值被重新評估
長期以來，木質素被視為工業廢物，然而它是賦予植物強度和剛性的天然聚合物。木質素是地球上最豐富的有機材料之一，據信是生物質中最大的未被充分利用的組成部分。每年，數百萬噸木質素作為紙張和生物燃料產業的副產品產生，其中大多數被簡單地燃燒作為低價值的能源來源。然而，木質素含有大量富含碳的芳香結構，這些結構可以轉化為有價值的工業化學品。挑戰在於找到一種高效且具成本效益的方法，將其分解為簡單且高價值的化合物，並達到商業規模。
研究人員長期以來一直在努力，因為富含木質素的副產品通常是複雜且不一致的混合物，難以處理和精煉。儘管木質素長期以來被視為有前景的可再生芳香化學品來源，但其複雜且高度變化的結構限制了其工業用途。研究人員指出，木質素在提取過程中往往會降解，而目前大多數的加工方法則產生複雜的化學化合物混合物，而非適合大規模製造的簡單高價值分子。這些限制意味著目前的木質素轉化技術通常僅能實現約 20%的單一產品產量，使其在商業上並不具吸引力。
同時，它們往往產生難以分離和精煉的複雜酚類化合物混合物。
新技術為尼龍生產提供可持續途徑
將木質素轉化為己二酸或其他尼龍前體的更高效方法可能有助於減少生物質廢物及與石油基塑料相關的碳足跡。這項新方法通過將已建立的化學加工與工程細菌相結合，可能幫助將低價值植物廢料轉化為尼龍生產的關鍵成分。該過程以楊木木屑為起點，從中提取木質素並將其分解為富含芳香化合物的油。然後，這種油在反應器中進行處理，以去除不需要的含氧基團，接著經過另一個化學步驟轉化為水溶性芳香酸。
最後，工程微生物完成這一過程，將這些中間體轉化為己二酸。
研究人員隨後引入了一種工程細菌，假單胞菌（Pseudomonas putida），它將混合物中的大多數芳香羧酸轉化為穆康內酯。這種中間體可以進一步化學轉化為己二酸，這是尼龍生產的關鍵成分。在實驗中，該過程實現了約 26 wt%（每克木質素產生的產品克數）的己二酸產量。然而，團隊估計，經過進一步優化，產量可能達到 57 wt%。他們還證明瞭該方法在不同木材來源上有效，包括楊木、松木和樺木，這表明該方法可廣泛應用於各類木質素原料。
項目 規格 木質素來源 楊木、松木、樺木 己二酸產量 約 26 wt% 潛在最高產量 可達 57 wt%
