直接捕獲二氧化碳！上海交大開發出全球首個二氧化碳”一步法“合成聚乳酸PLA技術

近日，上海交通大學生命科學技術學院食品與環境生物技術團隊（FEMlab）使用合成生物學技術開發了新一代可降解塑料 PLA 的“負碳”生產技術。該技術不僅可解決塑料污染、PLA 生產的非糧原料替代問題，還能在合成 PLA 的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。

相關論文《藍細菌細胞工廠直接碳捕獲生產高性能生物可降解塑料》（Direct carbon capture for production of high-performance biodegradable plastics by cyanobacterial cell factory）在國際著名刊物 Green Chemistry 上在線發表。

他們在光驅動藍細菌平臺上使用代謝工程和高密度培養的組合策略，在國際上首次以二氧化碳為原料，直接合成可降解塑料 PLA。

“一步法”將二氧化碳直接合成 PLA

這種新一代的 PLA 生產技術，與以往 PLA 的制造思路完全不同。該團隊首次建立自養微生物細胞工廠，直接以二氧化碳為原料一步實現 PLA 的生物合成。

與其他技術相比，該技術具有“一石三鳥”的作用。不僅可解決塑料污染、生物制造的非糧原料替代問題，還在合成 PLA 的過程中直接捕獲二氧化碳，助力“碳中和”“碳達峰”。

第一，解決塑料污染的問題。解決白色污染的根本方案是使用可降解塑料，來代替傳統的不可降解塑料。新一代的 PLA 生產技術，為可降解塑料生產，提供一種可持續的發展策略，從而為可降解塑料的替代提供保障。

第二，解決 PLA 生產中潛在的“與人爭糧”“與糧爭地”問題。值得注意的是，以糖基化合物作為原料合成可降解塑料，對于需要大宗生產的 PLA 來說，不是一種可持續發展策略。這個過程需要消耗大量糧食，其制造工藝的大規模鋪開將不可避免地面臨“與人爭糧”或“與糧爭地”的問題。

這一新技術將合成的過程“化繁為簡”，把“二氧化碳-糧食-淀粉-糖-乳酸-丙交酯-PLA”的漫長的合成過程,轉變為一個合成的“長鏈條”（代謝途徑）裝進細胞中，直接使用二氧化碳為原料，不再依賴糧食原料。

第三，在 PLA 的合成過程中直接捕獲二氧化碳，將二氧化碳“變廢為寶”，可實現減碳、助力“碳達峰”。以廢棄的溫室氣體作為原料生產材料，能夠在減碳的同時實現高值產品的制造，在經濟性上更有吸引力，可幫助實現減碳的加速發展。

該技術的未來發展可能性

一方面，該方法將減碳與塑料生產相融合。該團隊計劃在日后使用無碳的可持續發展方式——直接用太陽能或新能源所產生的電作為生產 PLA 能源，使用電廠碳排放或者直接使用空氣中的二氧化碳作為碳源。這符合全球提倡的“碳減排”“碳達峰”模式，未來將會形成“負碳”制造產業，也將帶來規模的經濟效益。

另一方面，該技術會帶來雙重環境效益。塑料污染和氣候變暖都是重要的環境問題。可降解塑料尚處于早期發展階段，用可降解塑料替代傳統的塑料是未來發展趨勢，這也意味著該領域有巨大的發展前景。通過減碳解決溫室效應，也已經成為國際發展趨勢。該技術為同時解決這兩個環境問題提供了方案。

此外，該技術可用于高性能 PLA 制造。當前，PLA 被廣泛地應用于在化學、醫療、制藥和 3D 打印等領域。該技術采用生物法合成，與傳統的化學法相比，沒有重金屬催化物殘留的問題，使該技術生產的 PLA 在高端的領域應用前景更加廣闊。

陶飛舉例說道：“比如醫用的手術縫線，其中的PLA不允許含重金屬成分，而生物法合成的PLA可以滿足這一要求。”

該團隊下一步的研究重點是提高PLA的細胞干重占比，擬將細胞干重的比例進一步提升到50%以上。

陶飛表示，一方面，用蛋白質工程的方法對關鍵酶進行改造。“我們發現酶的催化性能存在一些問題，目前已經用 AlphaFold2 把它的結構預測出來了，正在進行深入的蛋白質工程研究。接下來，我們將重點研究如何提高它對前體物質的親合力以及 PLA 鏈聚合速度，以實現提高酶的催化效率，讓 PLA 的整體產能更高。”他說。

另一方面，為工業化生產做準備。該團隊希望能把細胞底盤的魯棒性進一步提升，包括系列耐受性，例如耐高光、抗污染、耐鹽等能力。此外，在產品中試之前，該團隊還計劃針對細胞的自絮凝進行相關研究。

對于該技術的未來發展，該團隊也有清晰的規劃。陶飛表示，“我們計劃通過 3-5 年的持續投入，進行中試和全鏈條的優化，將各方面指標提升至工業化水平。”

標簽： 二氧化碳 可降解塑料 生產技術