從柔軟舒適的記憶棉枕頭，到輕便彈性的運動鞋中底，再到冬暖夏涼的建筑外墻保溫層，聚氨酯材料早已悄然融入我們生活的方方面面。然而，隨著這些產品使用壽命的終結，如何處理廢棄聚氨酯材料，正成為擺在科學家面前的一道新課題。如何讓這些“退役”的聚氨酯材料重獲新生？中國化工報記者近日采訪了中國科學院天津工業生物技術研究所結構生物學平臺實驗室研究團隊，他們開發的生物降解聚氨酯新方法，或將成為解決這一問題的有效回答。
據團隊負責人劉衛東研究員介紹，隨著塑料污染問題的日益嚴重，傳統的機械回收和化學回收已難以滿足可持續發展的需求。利用生物酶法處理廢棄塑料并推動其循環利用，已成為一個蓬勃發展的研究領域。“生物酶法降解塑料技術展現出諸多優勢，如反應溫和、特異性強、無限循環、碳排放低和可處理混雜塑料等，逐漸成為國際研究的熱點。”劉衛東表示。
相比于聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料，聚氨酯的生物解聚更為復雜。首先，PET僅含有酯鍵，可被酯酶進行水解，而聚氨酯中含有酯鍵、氨基甲酸酯鍵以及醚鍵等多種化學鍵，阻礙了生物解聚的效率。其次，聚氨酯多為發泡材料，含有較多種助劑，解聚的步驟也相對復雜。最后，聚氨酯解聚所需溫度也較高，通常要到200℃，而生物酶法一般都是在常溫常壓下進行。此外，關于聚氨酯生物解聚的報道也較少，全球只有幾個團隊在進行探索，相關企業參與度也不高。
面對上述困難，劉衛東團隊基于在廢棄塑料酶法解聚方面多年的研究基礎，在催化機制和改造方面進行了大膽的嘗試。他們對具有聚氨酯水解能力的百余個酶種進行了測試和篩選，找到了野生聚氨酯解聚酶，并掌握了其野生型晶體及其復合體晶體結構，據此揭示了酶高效降解聚氨酯塑料的分子機制。基于結構分析和分子動力學模擬的結論，他們對“野生酶”進行了改造，獲得的部分突變體，也就是“人工酶”，顯著提升了降解聚酯型聚氨酯和聚氨酯衍生物的活性。這種“人工酶”對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，該項成果已在國際學術期刊《Advanced Science》和《ACS Catalysis》上發表。
除上述優勢外，生物法還能實現塑料的循環利用。劉衛東介紹，經過生物酶法降解后，廢棄聚氨酯分解為原始單體，實現材料的“閉環再生”。與傳統的機械回收和化學回收都不一樣，用生物法能制備出媲美原生料的高品質再生料。“以現在已經比較成熟的PET生物法降解技術為例，其再生料突破了傳統回收料只能用于低端制品的局限，甚至能滿足透明PET瓶等應用場景的需求。生物酶法降解聚氨酯也有類似的效果。這或許就是生物法的最顯著的優勢——讓廢棄材料重獲新生，而非降級使用。”劉衛東舉例解釋道。
劉衛東也坦言，生物法應用于降解聚氨酯仍面臨很多挑戰，目前聚氨酯解聚酶的種類和數量還不是很多，部分酶的性能也不高。“我們將繼續推動酶制劑的工業化應用，降低酶的生產成本，提高酶的活性和穩定性，讓生物酶法成為塑料污染治理的主力軍。”劉衛東表示。（陳菲 梁晨）
轉自：中國化工報
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