甲壳类动物的外壳和木材废物(例如从树上修剪下来的树枝)通常最终会进入垃圾填埋场。在新加坡国立大学(NUS)研究人员开发的新工艺的帮助下，这些废料重新获得了生命，成为营养补品和药物。
国大工程学院化学与生物分子工程系的严宁副教授和周康副教授领导的研究小组设计了一种方法，可以将虾和蟹的壳转化为L-DOPA，L-DOPA是一种广泛用于治疗帕金森氏病的药物。可以使用类似的方法将木材废料转化为脯氨酸，这对于形成健康的胶原蛋白和软骨至关重要。
NUS小组的转换方法可能会在化学工业中发挥关键作用，因为源自废物的化合物的运动一直在增加势头，以减少对不可再生化石燃料和能源消耗过程的依赖。
从废物到有用的化学物质
全球食品加工业每年产生多达800万吨的甲壳类贝壳废料。与此同时，新加坡在2019年产生了超过43.8万吨的木材废料，其中包括树木修剪的树枝和车间内的灰尘。将这些食品和农业废料升级为有用的化合物的衍生方法将获得好处，而不会增加垃圾填埋场的压力。
尽管近年来对废料的再利用已经引起了人们的注意，但与利用原油或天然气的常规化学合成管道相比，废料回收产生的化学物质的典型产出往往不那么多样化。为了克服这些限制，NUS研究人员提出了一种将化学方法与生物过程相结合的途径。
他们首先对废料进行化学处理，然后将其转化为可被微生物“消化”的物质。第二步涉及生物学过程，类似于将葡萄发酵成酒的过程，在那里他们设计了特殊的细菌菌株，例如大肠杆菌，将化学过程中产生的物质转化为更高价值的产品，例如氨基酸。
NUS团队花了四年时间来推导他们的方法，并将其应用到以可持续的方式从可再生资源中获取高价值化学品的过程中。
更快，更便宜地生产有机化学品
常规地，L-DOPA由L-酪氨酸生产，L-酪氨酸是由发酵糖制成的化学物质。通过NUS小组开发的方法，甲壳类废物首先通过简单的化学步骤进行处理，使其可以被微生物用于生产L-DOPA。NUS方法的收率与使用糖的传统方法中的收率相似。此外，与葡萄糖相比，葡萄糖是最常用的糖，每吨成本在400至600美元之间，而虾废料的成本仅为每吨100美元。鉴于低成本和大量的贝壳废料，NUS团队的工艺有潜力以较低的成本提供L-DOPA。
另一方面，脯氨酸通常是通过纯生物过程生产的。NUS团队的独特方法现在已经通过使用化学过程代替了大多数转换过程，而这些过程要快得多。结果，新的集成过程可以实现更高的生产率，并有可能导致资本投资和运营成本的减少。
由甲壳类动物壳生产氨基酸如L-DOPA的研究首次于2020年3月25日在线发表在国家科学院院刊(PNAS)上，而在Angewandte Chemie上报道了由木材废料生产脯氨酸的工作。 2020年7月27日。
“化学过程是迅速的，并且由于不涉及活生物体，因此化学过程可以利用极端恶劣的条件(例如极高的温度或压力)来分解各种各样的废料，但它们只能产生简单的物质。另一方面，生物过程慢得多，并且需要非常特殊的条件才能使微生物蓬勃发展，但可以产生往往具有更高价值的复杂物质。通过结合化学和生物过程，我们可以从两者的收益中受益，从而创造出高价值的材料，”周副教授解释说。
升级其他类型废物的潜力
NUS团队的方法学有可能应用于不同类型的废料，他们可以根据废料的类型以及目标最终产品来定制流程。
展望未来，该团队正在寻求使他们独特的工艺适应其他形式的废物，例如二氧化碳和废纸。这种发展将减少社会对获取化学药品的依赖，这些资源是当今许多营养补品和药物的重要组成部分。
“我们新颖的化学生物整合工作流程为生产各种高价值有机氮化学品提供了一条通用途径。虽然在纸上仅将两种不同的方法结合起来听起来很简单，但细节在于魔鬼。鉴于发现了这些化学品在众多具有商业价值的药品，色素和营养素中，我们很高兴能够扩大研究范围，开发出新的方法，以利用在新加坡发现的其他丰富的本地承印物来生产增值化学品。”
该研究小组还计划扩大其实验室中当前开发的流程，并与行业合作伙伴一起将该技术商业化。
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