利用农业废物生产环保、可生物降解塑料

诸平

High-tonnage sorghum can be used as feedstock for biofuel production. 

据美国德克萨斯A&M大学（Texas A&M University）网站2021年6月29日提供的消息，该校的研究人员与美国田纳西大学（University of Tennessee）、华盛顿大学（University of Washington）、华盛顿州立大学（Washington State University）、蒙大拿州立大学（Montana State University）、密歇根州立大学（Michigan State University）以及橡树林国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员合作，利用农业副产品生产有助于环保、可生物降解的塑料。相关研究结果于2021年6月23日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Zhi-Hua Liu, Naijia Hao, Yun-Yan Wang, Chang Dou, Furong Lin, Rongchun Shen, Renata Bura, David B. Hodge, Bruce E. Dale, Arthur J. Ragauskas, Bin Yang, Joshua S. Yuan. Transforming biorefinery designs with 'Plug-In Processes of Lignin' to enable economic waste valorization.Nature Communications, 2021, Volume 12, Article number: 3912.  Published: 23 June 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-23920-4. https://www.nature.com/articles/s41467-021-23920-4. 上面的照片就是高吨位高粱可用作生物燃料生产的原料。

 根据德克萨斯A&M大学等科学家的此项新研究，生物塑料-由生物物质而不是石油制成的可生物降解塑料-可以通过玉米秸秆（corn stubble）、草类和豆科植物豆科植物（mesquite）生产的副产品以更经济、更环保的方式来制造 。

德克萨斯农工大学农业与生命科学学院植物病理学系（Texas A&M University College of Agriculture and Life Sciences Department of Plant Pathology）农业生命研究科学家（AgriLife Research scientist）、合成生物学和可再生产品教授兼主席Joshua Yuan说， 这种新方法涉及“插入式”预处理过程，这是对生物燃料精炼厂的简单调整 。这些“插件”技术可以优化可持续的、具有成本效益的木质素——用于食品包装和其他日常用品的生物塑料的关键成分。 这个240万美元的项目由美国能源部能源效率和可再生能源生物能源技术办公室（U.S. Department of Energy’s Energy Efficiency and Renewable Energy Bioenergy Technologies Office）资助 。

Joshua Yuan和研究人员正在提交下一阶段的额外项目资金申请。Joshua Yuan说，有效提取和使用木质素是生物燃料精炼厂面临的主要挑战。“我们的工艺采用了五种传统的预处理技术，并对它们进行了改进，以更低的成本生产生物燃料和塑料。”

Joshua Yuan的研究建立在先前研究木质素强化提取方法（enhanced extraction methods for lignin）的工作基础上 。Joshua Yuan说，这种名为“插入式木质素预处理工艺（plug-in preconditioning processes of lignin简称PIPOL）”的新方法，可以直接加入到当前的生物精炼厂中，并且成本不高。PIPOL旨在整合溶解、调节和发酵木质素，将其转化为能量并使其易于适应生物精炼设计。

Joshua Yuan说，生物经济和生物制造部门（bioeconomy and biomanufacturing sectors）是联邦政府的优先事项，因为 白宫科技政策办公室 （White House Office of Science and Technology Policy）指出生物经济基础设施、创新、产品、技术和数据可以促进美国经济增长（U.S. economic growth）。生物经济支持约 28.5万个工作岗位，年收入达480亿美元。

Joshua Yuan说：“创新是实现可生物降解塑料增长和更广泛使用的关键。木质纤维素生物精炼厂的商业化受到生物质附加值产品有限、可替代产品缺乏木质素利用率以​​及以乙醇为主要产品的整体低价值产出的阻碍。最近的这一发现将为克服其中一些挑战取得重大进展。”

Joshua Yuan在谈到此项研究在环保方面的优势时，他说：“我们每年生产超过 3 亿吨塑料，用可生物降解的塑料（biodegradable plastics）代替那些无法被生物降解而污染环境的塑料至关重要。这项工作提供了一条从普通农业废物生产生物可降解塑料的途径，普通农业废物如玉米生产过程中产生的废弃物以及其他草类和木材等。我们认为这项研究与工业非常相关，能够帮助生物精炼和聚合物企业获得更高的经济效率和机会。”

AgriLife Research和农业与生命科学学院共同致力于通过科学寻求解决方案以解决环境挑战。他们的研究已经发现，豆科植物（mesquite）和 高吨位高粱（high-tonnage sorghum）等可持续产品可用作生物燃料生产的原料。

Joshua Yuan说，玉米秸秆（corn stubble）和其他草类等农业副产品是生物燃料植物的替代原料来源。这些为农民以及将收获的原料和副产品作物运输到炼油厂的运输部门创造了潜在的新收入来源。

Joshua Yuan说：“我们已经证明，来自木质纤维素生物精炼厂（lignocellulosic biorefineries）的生物塑料在经济上更有利，这为利用农业废弃物生产可生物降解塑料开辟了新途径。这一发现将通过用可再生和生物降解塑料替代化石燃料和不可降解塑料来缓解全球气候变化。”这不仅可以实现变废为宝，使农业生产过程中的废弃物得到充分利用，为农民增加收入；同时还可以减少因为抛弃而造成的生物质资源浪费，因焚烧而造成的大气污染。上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Biological lignin valorization has emerged as a major solution for sustainable and cost-effective biorefineries. However, current biorefineries yield lignin with inadequate fractionation for bioconversion, yet substantial changes of these biorefinery designs to focus on lignin could jeopardize carbohydrate efficiency and increase capital costs. We resolve the dilemma by designing ‘plug-in processes of lignin’ with the integration of leading pretreatment technologies. Substantial improvement of lignin bioconversion and synergistic enhancement of carbohydrate processing are achieved by solubilizing lignin via lowering molecular weight and increasing hydrophilic groups, addressing the dilemma of lignin- or carbohydrate-first scenarios. The plug-in processes of lignin could enable minimum polyhydroxyalkanoate selling price at as low as $6.18/kg. The results highlight the potential to achieve commercial production of polyhydroxyalkanoates as a co-product of cellulosic ethanol. Here, we show that the plug-in processes of lignin could transform biorefinery design toward sustainability by promoting carbon efficiency and optimizing the total capital cost.