互动科普

绿色环保并非易事

开发出有利于环境保护的产品是一码事，则完全是另一码事。

Steven Ashley

有机化学家Larry Koskan的灵感来源于他在上世纪80年代中期读到的一篇描述牡蛎外壳如何生成的研究报告，这篇报告的作者是美国克莱姆森大学和南阿拉巴马大学的海洋生物学家。科学家早已熟知软体动物通过分泌碳酸钙作为基本物质成分来形成其坚硬的外壳，这篇报告新颖之处在于它指出牡蛎同时还合成一种基于蛋白质的特殊分泌物，而这种分泌物可以把矿物质模塑成牡蛎壳特有的形状。据Koskan后来回忆：“当我意识到他们发现了一种生物高分子聚合物——聚天冬氨酸酯(polyasparate)，能够抑制碳酸钙的形成，我兴奋得连脖子后的汗毛都竖了起来。”

当时，Koskan供职于Nalco化学制品公司，主要职责是研究水溶性聚丙烯酸酯的性质。这种聚合物添加剂可以帮助阻止在一些工业水处理设备表面形成有害的水垢或矿物沉积物。Koskan意识到新发现的聚天冬氨酸酯也具有相同的效用，与聚丙烯酸酯所不同的是，聚天冬氨酸酯能进行生物分解。

聚天冬氨酸酯呈现类似于聚丙烯酸酯的抑制水垢生成的行为是因为两者具有相同的分子形态。Koskan的解释是：两者分子结构特征相同，即都有一个直接与聚合体骨架相连的活性羧酸酯化学基，这个化学基的存在决定了它们具有上述化学特性。所不同的是，聚丙烯酸酯的聚合物主链是碳氢化合物，而聚天冬氨酸酯的主链是缩氨酸(氨基酸链)，因而可以通过微生物行为进行分解。

用途广泛的聚丙烯酸酯因其易于生产加工而价格低廉，但却有其致命弱点：一旦生产出来就无法再分解。Koskan注意到很多欧洲国家政府在鼓励本地工业企业使用环保产品，他曾说：“多年以来，当我接到来自德国或其他欧洲国家客户的电话时，他们通常总是先询问‘你们生产的聚丙烯酸能进行生物分解吗?”聚天冬氨酸酯的发现，让Koskan相信自己已经找到人们所祈求的答案，同时也将成为正在形成的“绿色化学”(green chemistry)市场的潜在赢家。

在某些其他类型的产品中，聚天冬氨酸酯同样有可能替代聚丙烯酸酯，这种可能性进一步激发了这位化学家研究该生物可分解化合物的兴趣。Koskan说道：“例如在清洁剂当中，水溶性丙烯酸酯作为分散剂使污垢得以悬浮于用来清洗的水中。”目前全世界所有的洗衣店每年用掉的清洁剂加起来大约含有2．3亿公斤聚丙烯酸酯。

更加让人兴奋的是聚天冬氨酸酯有机会替代聚丙烯酸酯打入另一个迅速发展的市场：每年大约有9亿公斤聚丙烯酸酯作为超级吸收剂被用于婴儿尿布、妇女卫生巾以及处理成人失禁的产品中。在与水分子强大的亲和力作用下，聚丙烯酸酯的主链交叉结合呈网状从而吸收污物分子。但是麻烦在于，这种化学产物同样是不可分解的，从而导致大量的高度稳定物质存在于这类垃圾中。

后来Koskan意识到，在接下来的数年中研究聚天冬氨酸酯需要花费大量的时间和金钱，而Nalco化学制品公司似乎没有多少兴趣，于是他决定组建自己的公司。通过与Ernst&Young会计服务公司合作，他获得了公司启动所需的财政支持。1990年，Donlar公司在伊里诺斯州贝德福德市开业，经历最近的一次兼并后更名为Donlar Biosyntrex公司。

与此同时，消费品生产巨头宝洁(P&G)公司正在设法清除其大众化产品衣物清洁剂中的磷酸盐软水添加剂。从环境保护角度考虑，这种添加剂的存在不是人们所期望的，因为如果将含有这种物质的污水排放到大自然中，会导致海水表面的营养过剩，致使藻类过度滋生。Donlar公司现在的首席运营官(COO)Bob Pietrangelo先生一直活跃在化工领域，是一位经验丰富的经理主管人员，他注意到：“宝洁公司已经开始在新的清洗剂产品中使用聚丙烯酸酯作为分散剂，另外还将其用于一次性尿布等产品中作为超级吸收剂。”随着对聚丙烯酸酯需求量的增加，宝洁敦促化学工业界开发与之对应的能进行生物分解的替代物。很快，包括Rohm，Haas，BASF和Bayer在内的主要化工制品生产厂商都积极响应，开始着手研究这一问题。Pietrangelo接着又指出：“事实上，六、七年后人人都认识到聚天冬氨酸酯是最合适的替代物。”

遗憾的是，替代物聚天冬氨酸酯的价格比高产量的聚丙烯酸酯产品的价格要高出四到五倍。Pietrangelo认为：“像聚天冬氨酸酯这种新兴产品，虽然性能优于同类产品，却由于价格原因未能占据应有的市场份额，其关键原因在于缺少能够支持低成本大批量生产的基础设施。由于小批量生产成本太高造成聚天冬氨酸酯产品价格昂贵，宝洁最终对这项技术失去兴趣，也就没有在其清洁剂等产品中采用它。”然而Donlar人没有放弃，他们决定继续坚持公司的核心业务，将注意力集中于聚冬氨酸酯的专业应用领域。Koskan是这样描述的：“为了使产品价格在市场上具有竞争力，在公司创建后的头五年里，我们集中力量研究开发聚天冬氨酸酯的生产加工技术。”到目前为止，公司总共已投入5000万美元用于开发。

Donlar的专利生产技术采用一种叫做L天门冬氨酸的天然氨基酸作为原料。该项技术的具体做法如下，第一步先将原料置于托盘中加热，则L天门冬氨酸在热作用下发生聚合反应，同时析出水分。这个反应得到分子结构呈环形的中间产物琥珀酰亚胺，反应无需溶剂，且唯一的副产品是可回收利用的水蒸气。第二步加入水及腐蚀性碱基(例如氢氧化钠)，同时加热，则琥珀酰亚胺最终水解生成聚天冬氨酸盐。通过提高混合物的PH值可以解开琥珀酰亚胺的环形分子链，从而形成聚冬氨酸钠(一种α一β—DL型聚冬氨酸盐)的聚合物长链。Donlar销售的产品是所谓的热聚天冬氨酸盐(TPA)。1997年公司在美国伊里诺斯州秘鲁市(不是南美的秘鲁)建成一个占地500多平方米的生产车间，其年生产能力超过1360万公斤。

尽管Donlar成功地开发出TPA的生产技术，并因此赢得1996年度由美国环境保护机构颁发的绿色化学挑战金奖，然而这种生物可分解产品能否真正拥有市场还说不准。Pietrangelo说：“对于绿色环保最可笑之处在于：人人都支持环保，却没人愿意多花一分钱来保护环境。”Koskan赞同他的观点：“虽然TPA是一项很出色的技术，但通常情况下，人们不得不忽视它的绿色化学优势，而把它说成是我们已研制出一种在环保方面有竞争力的新奇产品。”

近年来，由于在某些应用优越明显，TPA在石油及农业市场的销售增长。很快，该公司2000年的全年销售额达到640万美元。为确保原油能够从油井稳定流出，英国石油探测公司及工作环境恶劣的北海海底油田的能源公司在原油开采过程中使用了TPA添加剂并获得成功。在常规的石油海上开采中，海水被注入到海床底下的石油层中以维持地底压力，从而可以方便地控制开采过程。由于海水与海底地质层的地下水不相容，结果导致在连接矿井的原油输送管道里生成矿物水垢并堵塞管道。添加剂TPA的作用是双重的，一方面抑制水垢生成，另一方面又抗氧化。

在农业应用方面，往化肥里加入适量的TPA制剂，可以使肥料在土壤中停留的时间更长，确保作物根部能够吸收更多的营养。其结果是农作物产量增加，而渗入地下水的硝酸盐减少。此外，Donlar的研究人员还开发出一些别的产品。例如，他们通过交叉连接聚天冬氨酸酯的主链而开发出一种生物可降解的超级吸收剂，该产品可望在某些领域得到广泛使用。

如果Donlar公司的成功能够得以继续，它也许可以帮助已背上低效率、高成本恶名的环境化学领域得以翻身。并且，作为一家盈利企业，Donlar也许最终可以赋予绿色化学的“绿色”以新的内涵。

【柯江华／译 赵辉／校】