蘇黎世瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)的先進(jìn)催化工程和安全環(huán)保技術(shù)組合作，分別由JavierPérez-Ramírez和KonradHungerbuehler領(lǐng)導(dǎo)，給出了新的級聯(lián)過程。甘油首先通過已建立的酶促過程被氧化得到二羥基丙酮。然后二羥基丙酮在含錫的沸石催化劑下被異構(gòu)化而得到乳酸，該催化劑結(jié)構(gòu)由ETH蘇黎世課題組設(shè)計。

生產(chǎn)生物柴油(頂層)時，大量的甘油(底層)剩下©BoCheng/ETHZurich

對于生物柴油需求的不斷增加意味著甘油將處于供過于求的狀態(tài)，并且目前任何多余的甘油必須被處理掉。甘油相當(dāng)于制成燃料的10%(重量比)。預(yù)計生物柴油生產(chǎn)的甘油產(chǎn)量在2020年將達(dá)到約370萬噸，而2014年生產(chǎn)的甘油約為250萬噸。

乳酸通常用于生產(chǎn)大宗化學(xué)品如丙烯酸和丙酮酸。然而，聚合乳酸可以得到一種生物可降解塑料，稱為聚乳酸(PLA)。PLA作為包裝材料有多種應(yīng)用，并預(yù)計可成為常用聚合物PET的環(huán)保替代品。

在ETH蘇黎世食堂用聚乳酸做成的塑料杯©BoCheng/ETHZurich

用于合成乳酸的新工藝面臨其傳統(tǒng)生產(chǎn)方式糖發(fā)酵的可持續(xù)發(fā)展和成本的挑戰(zhàn)。使用廢料作為原料，減少了能源需求和二氧化碳排放量，其與沸石催化劑的再循環(huán)利用相結(jié)合，有助于提升新級聯(lián)路徑提供的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

另一個好處在于在級聯(lián)過程比發(fā)酵法更快。“無機(jī)催化劑的優(yōu)勢在于如果設(shè)計得當(dāng)，它可以高效地工作并能處理更濃和/或較低純度的溶液，”Pérez-Ramírez解釋道。

丹麥托普索公司催化科學(xué)家EsbenTaarning這樣評價本研究的杰出成果：“選擇性將生物基原料轉(zhuǎn)化成化學(xué)品通常十分復(fù)雜，這是由發(fā)酵技術(shù)的高成本導(dǎo)致的。這項工作優(yōu)雅地表現(xiàn)了將生物轉(zhuǎn)化和化學(xué)催化結(jié)合的潛力，從而降低整個生產(chǎn)過程的成本。”

Pérez-Ramírez認(rèn)為，這項研究的跨學(xué)科性質(zhì)是這項進(jìn)展的中心：“當(dāng)你把不同的領(lǐng)域的專業(yè)知識放在一起時，比如在我們的例子中，將催化劑的設(shè)計和流程建模結(jié)合起來可以實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，讓我們能夠更快地進(jìn)步，并對復(fù)雜問題有更深入的了解。”

相關(guān)論文：MMoralesetal,EnergyEnviron.Sci.,2015,DOI:10.1039/c4ee03352c