世界清洁地球日 | 把吃剩的海鲜壳变废为宝
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世界清洁地球日是全球性清洁活动,是由澳大利亚的国际环保组织Clean Up the World的伊恩基南发起,时间是定在每年9月的第三个周末,现为全球最重要的环境保护活动之一,每年全世界有超过125个国家、4000万人参加这个活动。
将废弃的海鲜壳转换为含氮丰富的化合物对环境和经济都有好处。每年,全世界都扔掉6万~8万吨螃蟹壳、草虾壳和龙虾壳,其中有1.5万吨扔在了东南亚。金枪鱼重量的75%都可以做成鱼片,但是螃蟹肉只占螃蟹重量的40%。
在发展中国家,废弃的海鲜壳常常倾倒在垃圾场或者海洋里了事。在发达国家,处置这些废弃物可不便宜,以澳大利亚为例,处理一吨壳废物就得花上150美金。
然而,海鲜壳富含有用的化学物质——蛋白质、碳酸钙和壳多糖。壳多糖是一种类似纤维素的聚合物,富含氮元素。没有人注意到这些海鲜壳对于化工产业的潜在价值。为此,科学家需要找出可持续的方法来精炼甲壳动物的贝壳,政府和企业也需要投资这些量大便宜的可再生资源的利用。
现有的从废弃的海鲜壳中提取化学物质的工艺方法对环境有害,既费钱又费料。常用的分离方法为分馏法。分离蛋白质的试剂是有刺激性的有毒溶剂。为了制造壳聚糖,需要用40%氢氧化钠处理壳多糖。从虾壳中生产1千克壳聚糖需要用水1吨以上。
结果,尽管原材料很便宜,1千克质量较好的壳聚糖也可以卖到200美金。全球的精制壳多糖用量较少,每年仅1万吨,主要用于制造薄膜、药品、食品和化妆品。壳多糖的生产厂家也很少,中国、日本、泰国和印度尼西亚还有几家。把壳多糖和壳聚糖转化为其他化学品又有其他问题。天然的壳多糖是结晶体,一般试剂很难处理。在苛刻的反应条件下,壳多糖的聚合链也很容易发生副反应,产生无数的复杂化合物,从反应器中提纯产品甭提有多麻烦了。
新技术已经萌芽了。新世纪初,墨西哥和英国研究人员提出了生产壳多糖的乳酸发酵工艺,能在单一反应器中转化30千克~50千克壳废料。英国、美国和中国的研究人员则研发出了一种能消耗蛋白质、分解碳酸钙的细菌混合物。蛋白水解物和乳酸钙作为副产品,可用于生产动物饲料和钙补充剂。
科学家还可以设计和使用离子液体。这种液体能溶解碳水化合物聚合物和提取壳多糖。利用这种方式产生的壳多糖聚合物是长链的高分子化合物,可制成伤口敷料或纤维、薄膜。
壳废物的生物炼制将为东南亚和其他地区创造新的产业契机。新加坡国立大学化学与生物分子工程系的Ning Yan教授建议开发一套壳废物精炼工艺管线,正如木质生物质能在一套设备中被分离和转化为不同产品。这样的开发需要多学科合作,需要政府和化工燃料产业提供资金支持,需要全世界的科学家在基础研究中攻克技术难关。
上文参考:Nature 2015;524:155-157