【海川化工科技前沿】中科院天津生物所开发生物降解聚氨酯新方法可以使废弃聚氨酯材料重生

中科院天津生物所开发生物降解聚氨酯新方法可以使废弃聚氨酯材料重生

从柔软舒适的记忆棉枕头，到轻便弹性的运动鞋中底，再到冬暖夏凉的建筑外墙保温层，聚氨酯材料早已悄然融入我们生活的方方面面。然而，随着这些产品使用寿命的终结，如何处理废弃聚氨酯材料，正成为摆在科学家面前的一道新课题。如何让这些“退役”的聚氨酯材料重获新生?中国化工报记者近日采访了中国科学院天津工业生物技术研究所结构生物学平台实验室研究团队，他们开发的生物降解聚氨酯新方法，或将成为解决这一问题的有效回答。

　　据团队负责人刘卫东研究员介绍，随着塑料污染问题的日益严重，传统的机械回收和化学回收已难以满足可持续发展的需求。利用生物酶法处理废弃塑料并推动其循环利用，已成为一个蓬勃发展的研究领域。“生物酶法降解塑料技术展现出诸多优势，如反应温和、特异性强、无限循环、碳排放低和可处理混杂塑料等，逐渐成为国际研究的热点。”刘卫东表示。

　　相比于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料，聚氨酯的生物解聚更为复杂。首先，PET仅含有酯键，可被酯酶进行水解，而聚氨酯中含有酯键、氨基甲酸酯键以及醚键等多种化学键，阻碍了生物解聚的效率。其次，聚氨酯多为发泡材料，含有较多种助剂，解聚的步骤也相对复杂。最后，聚氨酯解聚所需温度也较高，通常要到200℃，而生物酶法一般都是在常温常压下进行。此外，关于聚氨酯生物解聚的报道也较少，全球只有几个团队在进行探索，相关企业参与度也不高。

　　面对上述困难，刘卫东团队基于在废弃塑料酶法解聚方面多年的研究基础，在催化机制和改造方面进行了大胆的尝试。他们对具有聚氨酯水解能力的百余个酶种进行了测试和筛选，找到了野生聚氨酯解聚酶，并掌握了其野生型晶体及其复合体晶体结构，据此揭示了酶高效降解聚氨酯塑料的分子机制。基于结构分析和分子动力学模拟的结论，他们对“野生酶”进行了改造，获得的部分突变体，也就是“人工酶”，显著提升了降解聚酯型聚氨酯和聚氨酯衍生物的活性。这种“人工酶”对聚酯型聚氨酯的降解效率比“野生酶”提高近11倍，大幅提升了聚氨酯的回收利用率。目前，该项成果已在国际学术期刊《Advanced Science》和《ACS Catalysis》上发表。

　　除上述优势外，生物法还能实现塑料的循环利用。刘卫东介绍，经过生物酶法降解后，废弃聚氨酯分解为原始单体，实现材料的“闭环再生”。与传统的机械回收和化学回收都不一样，用生物法能制备出媲美原生料的高品质再生料。“以现在已经比较成熟的PET生物法降解技术为例，其再生料突破了传统回收料只能用于低端制品的局限，甚至能满足透明PET瓶等应用场景的需求。生物酶法降解聚氨酯也有类似的效果。这或许就是生物法的最显著的优势——让废弃材料重获新生，而非降级使用。”刘卫东举例解释道。

　　刘卫东也坦言，生物法应用于降解聚氨酯仍面临很多挑战，目前聚氨酯解聚酶的种类和数量还不是很多，部分酶的性能也不高。“我们将继续推动酶制剂的工业化应用，降低酶的生产成本，提高酶的活性和稳定性，让生物酶法成为塑料污染治理的主力军。”刘卫东表示。

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