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Dalvm 發表於 2018-11-22 22:32

大腸桿菌讓廢棄寶特瓶變「寶」,價值增10倍!

本文由日經BP社日經技術在線logo提供

以廢棄的PET塑膠瓶和不可食用的植物為原料製造化學品,在基因重組微生物的作用下,這種化學品的生產效率越來越高,這種方式不僅環保,還具有強大的成本競爭力,成為關注的焦點。

日本每年要消耗200多億個(按照500毫升容器換算)PET塑膠瓶,作為茶、果汁、碳酸飲料的容器,寶特瓶已經成了人們日常生活的必需品,人們丟棄的寶特瓶的數量也十分龐大。


現在,有項將這種垃圾變為「寶」的技術引發了關注,分類收集寶特瓶回收再利用的做法在日本早已普及,而且,也已經確立了利用鹼性溶液分解廢棄寶特瓶、作為寶特瓶的原料再利用的機制。

但過去回收的寶特瓶只能用來製造與寶特瓶原料相同的「對苯二甲酸」等材料,其實,在「微生物」的幫助下,還能利用廢棄寶特瓶製造出更有附加值的化學製品。這項技術由日本生物風險企業Genaris(橫濱市)開發,以下就來看一下其基本原理和流程。

大腸桿菌讓廢棄寶特瓶變「寶」,價值增10倍!
大腸桿菌讓廢棄寶特瓶變「寶」,價值增10倍!
現代「煉金術」使廢棄寶特瓶增值10倍
首先是收集廢棄的寶特瓶等原料,然後利用鹼性溶液溶解原料,在去除雜質後製作對苯二甲酸,接下來,把對苯二甲酸投入由金屬製成的、類似大型鍋爐的發酵罐。

接下來登場的,便是微生物—大腸桿菌,以病原性大腸桿菌「O157」為代表,大腸桿菌給一般人的印象是有害的,但Genaris開發的大腸桿菌具有適合化學品生產的特性,並不是通常的類型。

Genaris利用基因組(全基因)序列分析技術,分析了大腸桿菌的基因資訊,發現了改變哪個基因能夠製造出高附加值的化學品。根據分析結果,該公司轉換了大腸桿菌的基因,將其製成了適於製造化學品的菌種。

基因重組後的大腸桿菌被投入發酵罐後,能夠分解對苯二甲酸,生成2種化學物質。1種是「沒食子酸」,經常用於半導體樹脂材料和鍋爐防腐材料等;另1種是「兒茶酸」,是生產藥品和農藥的原料。


Genaris社長西達介紹說:「與作為原料的廢棄寶特瓶相比,這兩種化學物質每公斤的價格是其10倍左右。」在微生物的幫助下,「點石成金」成為了現實。與傳統的回收再利用不同,這種方式可實現「增值回收」,能夠利用廢棄品創造出更高的價值。

當然,如果使用廢棄物作為原料只是為了「環保」,在產業界根本無法普及,普及的關鍵在於價格競爭力。Genaris提出了建立量產體制,以低於市場2成左右的價格銷售沒食子酸和兒茶酸的目標。該公司投資近5億日元在橫濱市建設的以發酵罐為核心的工廠正在趕工,預定2014年3月完工。雖然產能僅為每年10噸左右,但該公司計畫通過與大型化工企業合作等方式,在1年內建立起年產規模達到1000噸的量產體制。

基因重組增進細菌「食慾」
日本還有一家風險企業是以人無法食用的玉米的莖葉、雜草等為原料,借微生物之力製造化學品,這家企業的名稱是Green Earth Institute(東京都文京區),由曾經任職於日本地球環境產業技術研究機構(RITE)的湯川英明在2011年創辦。

大腸桿菌讓廢棄寶特瓶變「寶」,價值增10倍!
該公司的核心技術是對味精的主要原料—谷氨酸棒狀桿菌的基因進行重組、使用製成的「RITE菌」生產化學品的工藝,該技術的特點在於生產效率極高。通常,在製備谷氨酸之餘,棒狀桿菌還會把累積的能量用於自身繁殖。而利用RITE菌製備化學品時使用的是無空氣發酵法,不進行繁殖,只生產化學品,不僅使用的原料少,而且還能降低成本。

另外,RITE菌的分解代謝機制也有所改良,棒狀桿菌只能以植物中含有的C6糖(纖維素等)為食,而基因重組後的RITE菌除了C6糖、還可以分解C5糖(半纖維素等)。例如,麥秸中45%是C6糖、30%是C5糖,因為RITE菌可以同時分解這2種糖,所以能更有效地利用植物原料,提高生產效率。

這項技術的獨特之處是可以使用RITE菌來製造各種各樣的化學品。除了備受關注的生物燃料「乙醇」、塑膠和藥品的原料「苯酚」之外,還能生產「氨基酸」等。生產每種化學品都需要利用基因重組技術,改變RITE菌的分解代謝功能,製造出適合生產特定化學品的最佳菌種。

Green Earth最看好的領域是乙醇,該公司從2012年開始與美國能源部的研究所合作推進利用植物生產乙醇的研究。Green Earth的社長伊原智人介紹說,雖然美國也有許多研究植物乙醇的企業,「但RITE菌極高的生產效率受到高度好評」。


使用等量的植物原料,RITE菌1小時生產的乙醇大約是其他微生物的10倍。美國政府2007年制定了推廣乙醇等以植物為原料的生物燃料的計畫,但因為成本過高,工業生產方面的進展不大。因此,美國政府對能夠降低生質酒精製造成本的技術給予了強烈關注。

而且,乙醇在商業化方面也面臨著難題,作為燃料使用要確保充足的供應量,大規模的生產設備必不可少。按照每套設備年產能約為20萬立方公尺的標準計算,設備投資十分龐大。對風險企業而言,投資負擔相當沉重。

因此,Green Earth準備先投產量產設備規模小於乙醇的氨基酸,氨基酸在醃菜、水產加工品等食品領域以及藥品、化粧品領域存在需求,年產能只需達到1萬立方公尺左右即可形成業務。現在,適合生產氨基酸的RITE菌已經開發完成,目標是在2014~2015年左右投產。利用相同的設備還可以生產乙醇以及開展量產相關的驗證實驗。

原油價格飆升推動微生物化工普及
大型化工企業也在借微生物之力生產化學品。三菱化學正在利用植物替代過去常用的石油來生產「琥珀酸」和「丁二醇」等塑膠原料。採用的方式是利用微生物使甘蔗等植物發酵,然後分離提純出化學品。2011年,三菱化學在泰國與當地的國營企業成立了合資公司,使用該公司工廠生產的琥珀酸等原料製造生物塑膠。

在微生物的作用下,生物塑膠在泥土中可分解,變成水和二氧化碳,借助這一特點,生物塑膠成了農業地膜的常用材料,不同於聚乙烯膜,生物塑膠製成的地膜無需回收。在種植作物期間,功能與通常的地膜相同,3~5個月後開始分解,適合種植玉米、高麗菜、薯類等作物。

三菱化學還在2013年正式推出了利用植物原料製造的高功能樹脂「DURABIO」,樹脂的原料,是借微生物之力使糖類發酵然後提純製取的。該公司可持續資源事業部部門經理板東健彥表示,「這是一種兼具丙烯樹脂與聚碳酸酯樹脂二者優點的劃時代產品」。

因為「透明度高」、「易著色」、「抗衝擊」、「阻燃」、「不易泛黃」等特點備受好評,這種材料的用途也在不斷擴大。汽車企業看中了易著色這一點,開始將DURABIO用作儀錶板等內飾材料,通過預先為樹脂著色,可以省去塗裝程序。除此之外,因為其具有透明、不易泛黃、耐久性強等特點,還有企業打算將其用於高速公路的隔音板。

雖然DURABIO的價格是聚碳酸酯樹脂的4~5倍,但其優秀的功能性頗受好評,因此保持著良好的銷售趨勢,三菱化學預定在2015~2016年之前,把該產品的年產能提高到1.6萬噸,達到現在的3倍。

作為三菱化學的母公司,三菱化學控股集團已經提出了到2025年,把石油原料消費量的20%改換為植物原料的目標,制定這樣的目標不僅是因為原油價格暴漲,環保意識的提升也起到了推動作用,歐美大型化工企業也顯露出了相同的動向。今後,微生物活躍在化學品生產領域的事例還會增加。(記者:山崎良兵,《日經商務週刊》)

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