酶法降解废旧轮胎

绿色化学

莱布尼兹植物生物化学研究所（IPB）的科学家携手哈勒–维滕贝格马丁路德大学的合作伙伴，首次成功地用酶法降解了合成橡胶。当代生活中，合成橡胶已经成为天然橡胶不可缺少的替代品，它的应用领域多样，可以用在发动机、运动器械和日常用品中。汽车轮胎大多使用到这类材料，年产量可达几百万吨。合成橡胶的用途广泛，但它的降解是个大难题。最大的障碍在于聚合物晶格中缺少可水解的官能团，这一点加大了人造橡胶回收再利用的难度。迄今为止，废旧轮胎的处置大多采用机械粉碎方法。这个过程中产生的橡胶颗粒可作为新橡胶制品的低质量填充物。化学降解合成橡胶的工艺往往采用稀有金属作为催化剂，或用到高毒性的易燃溶剂。

天然橡胶从巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）的乳胶中提取获得，由完全以顺式结构存在的异戊二烯单元组成，而合成橡胶则由顺式和反式-1,4-聚异戊二烯的混合物构成。天然橡胶能够在自然界中自然降解。橡胶降解细菌产生的橡胶加氧酶促使聚异戊二烯晶格发生氧化裂解，裂解产物则成为微生物的碳源。这些细菌或它们的酶是否也适用于合成的顺式-反式-聚异戊二烯，是否能促进后者的酶降解，上述问题仍是研究领域的一个空白。

哈雷的科学家在降解实验中使用了顺式-反式配比为56:27的聚异戊二烯和乳胶清除蛋白LcpK30，后者是一种链霉菌属sp.K30的橡胶加氧酶。天然材料研究人员假设，聚异戊二烯合成物高效酶解的最大障碍在于该物质较差的水溶度，因而大大降低了酶可以到达的界面。另一方面，人们避免将表面活性剂作为乳化剂来使用，担心表面活化剂有可能对酶产生变性作用。哈雷的科研工作者利用低频超声波，随后又采用疏水性的助溶剂，突破了合成橡胶无表面活性剂乳化的这道障碍。
乳剂制备完成后，研究人员针对缓冲剂、其他溶剂、搅拌速度、温度和酶浓度等各种不同参数做了一系列的试验。大功告成：化学家们首次采用有效工艺将聚异戊二烯酶解成具有1至13个完整异戊二烯单元的低聚物。同时，他们将自行研发的工艺与传统工艺做了比较，横向对比了合成橡胶和天然橡胶的降解率。结果表明，橡胶加氧酶LcpK30耐受聚异戊二烯的反式异构体。此外，这种酶改性后可以提高自身的热稳定性和耐溶剂性。

研究论文的执笔者解释说，他们的研究工作革新了降解聚异戊二烯的生物技术工艺和分散方法，为这些合成橡胶未来的循环利用战略带来重要的范式转换。欧盟自2017年开始将天然橡胶列为关键原材料。因此，研发和优化废旧轮胎、天然橡胶和聚异戊二烯合成物的化学及生物技术回收工艺变得日益紧迫和重要。

资料来源：www.ipb-halle.de