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科学松鼠会

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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蒲公英,做橡胶?  

2012-07-09 16:13:41|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:橡树村

【图片出处:http://www.moma.gr/

最近,有新闻称,世界最大的轮胎供应商普利斯通将从银胶菊和俄罗斯蒲公英中提取橡胶,并有可能在2015年就投入商业生产。怎么,蒲公英里面也会有橡胶?

目前几乎所有的天然橡胶都是从一种原产南美的橡胶树上采集的。这种天然橡胶有很独特的性质,至今也不能被合成橡胶所替代。实际上,天然橡胶在橡胶供应中所占的比例,已经从上世纪七八十年代的百分之三十逐渐上升到现在的超过百分之四十,年产量已经超过一千万吨,广泛应用到超过四万种产品中,成为人们日常生活不可或缺的必需品。不过,天然橡胶一直存在着供应危机。

最大的问题就是天然橡胶的来源单一,而单一的物种的抗病性并不好,一旦遭受毁灭性的病虫害打击,就会导致天然橡胶的大规模减产。目前全世界九成的天然橡胶产自亚洲,在原产地南美反而没有形成产业,部分原因就是南美有一种可以迅速传播的南美叶落病,可以导致工业规模的橡胶林大规模减产,从而使得在南美进行大规模天然橡胶生产的尝试都以失败告终。由于这种病害对天然橡胶产业的危害很大,早在上世纪五十年代,世界的天然橡胶生产组织就采取严格措施防止这种病蔓延到南美洲以外的地区。不过,尽管人们采取的措施不少,但是人为的控制总会出现漏洞的,而能够抵抗这种疾病的新的品种却迟迟没有培育出来,所以天然橡胶生产一直受着这种疾病的威胁,存在着忽然大规模减产的可能。

即使这个南美落叶病可以得到控制,天然橡胶的供应也有其他的问题。可以商业种植的橡胶树的生长条件非常苛刻,对最低温度、湿度、风力等等都有很严格的要求,适宜种植的地区有限。目前大规模的橡胶种植已经覆盖了可以进行橡胶种植的大部分区域,增产潜力逐渐枯竭。与此同时,橡胶树的种植还受到其他商业作物种植面积扩大的威胁。此外,胶乳的收集一直只能人工进行,属于劳动力密集产业,工作强度很大,自动化的尝试一直没有实现。这就导致的天然橡胶的成本较高。

还有一个问题是人类健康方面的。橡胶树产的胶乳里面不仅仅含有主成分聚异戊二烯,还有很多蛋白、烃、油等小分子,就是这些成分保证了天然橡胶不可替代的特殊性质。但是这些成分里面,有一种蛋白会导致一些人不同程度的过敏,而对这种蛋白产生过敏的人口比例竟然越来越高,已经达到了人口的1-6%。医药行业很多制品都使用这种天然胶乳,有调查显示,医药行业使用胶乳制品的人口里面,过敏的比例竟然高达17%。这些原因都使得人们必须去寻找天然橡胶的替代品。

好消息是,橡胶树的确不是唯一一种可以生产天然橡胶的物种,实际上,人们已经知道至少有2500种植物可以自己生产各式各样的胶乳。不过不同的植物得到的胶乳各自有各自的特性,替代现在的橡胶树,需要胶乳性质接近现在使用的天然胶乳,物种适宜在大片区域推广种植,生长迅速,收割加工方便,最好能够一年一收,甚至可以与其他作物轮种,产量也需要足够大,胶乳里面的聚合物浓度也要足够高,等等。这个门槛可不低,目前两千多个物种里面,只有两种有潜力替代目前天然橡胶生产:银胶菊与俄罗斯蒲公英。

银胶菊原产墨西哥北部和美国西南部的半沙漠地区,生产的聚异戊二烯的分子量分布与橡胶树生产的非常接近。俄罗斯蒲公英原产哈萨克斯坦,根部含有大量的天然胶乳,分子量要比橡胶树得到的大一些,但是也可以用于橡胶用途。与橡胶树不同的是,银胶菊和俄罗斯蒲公英都属于灌木,所以不需要像橡胶树那样在收集胶乳的时候保留植物的枝干,这样就可以使用机械对这两种植物进行收割、处理、提取胶乳,实现机械化,相比橡胶树收割胶乳无法自动化的过程是一个很明显的优点,在目前人力成本越来越高的背景下显然最终会有成本优势。这两种作物都不需要在热带才可以种植,也可以与其他作物轮种,可以种植的面积和灵活性就扩大了很多,银胶菊甚至可以一年收割两次。同时一些育种的试验也表明,在这两个物种上进行改进,也比橡胶树容易很多,有可能进一步扩大适宜种植的区域,提高产量,增加抗病能力等等。

这也不是人们第一次期望这两种作物替代橡胶树了。早在一百年前,银胶菊就曾经被小规模种植用于提取橡胶。在第二次世界大战爆发的时候,日本占领了当时主要橡胶产地东南亚,阻断了大多数天然橡胶的供应,为了保证天然橡胶的供应安全,美国和前苏联分别尝试了大规模种植银胶菊和俄罗斯蒲公英并从中提取橡胶,前苏联甚至的确把俄罗斯蒲公英提取的橡胶用到了一些卡车的轮胎上。只不过普及一个作物的种植需要的时间很长,等到相关工作都准备好了,战争已经结束了。因为当时从这两种作物的产量很低,廉价劳动力的时代收集胶乳也远不如从橡胶树上收割直接方便,所以得到的橡胶产品成本比较高,无法与重新恢复的天然橡胶供应以及新兴的合成橡胶来竞争,相关技术只好被束之高阁。

不过这两个物种并没有被人遗忘。这两个物种得到的胶乳没有那种导致人过敏的蛋白,所以生产的胶乳产品不会导致人过敏。随着对胶乳过敏的人口比例越来越高,这两个物种也就有被重视了起来,特别是银胶菊因为产量较高,已经开始了商业规模的种植,已经有银胶菊提炼的胶乳产品进入市场。当然目前这种新的天然胶乳价格还比较高,属于高端产品,但是随着产业的扩大,更具有经济性的品种的推出和普及,产品最终会具有经济性,成为橡胶树胶乳的一个强力补充。

这两个并不新的新物种得到商业推广后,将可以确保天然橡胶的来源,有可能进一步打压合成橡胶的市场份额。不过不同种类的合成橡胶也发展出了自己的特殊性质,也不会完全被天然橡胶所替代,合成橡胶的需求量也同样在上升。目前合成橡胶的原料都来自石油产品,而石油属于不可再生资源,价格逐渐攀升,也终究会有枯竭的那一天,所以,合成橡胶的可再生问题也有人关心。

天然橡胶是一种聚合物,单体是异戊二烯,能不能通过生物途径合成异戊二烯呢?生物是可以通过自身的生物机制来合成异戊二烯的,通过现代的微生物技术,就可以模拟生物环境来实现异戊二烯的合成。这方面,已经有美国、日本的公司进行了研究。2012年五月底,以生产味精闻名的日本味之素公司与轮胎生产巨头普利斯通联合宣布,已经成功从生物原料中通过发酵生产异戊二烯单体,普利斯通也成功利用这个生物来源的异戊二烯制造了合成橡胶。这两家看起来没有什么关系的公司还宣布,有可能在2013年就将这条路线商业化。目前异戊二烯单体主要来自石油化工的乙烯工业,年产量将近一百万吨,虽然生物法的异戊二烯短时间内还无法与石化途径竞争,但是这怎么也是一个好的开始。

合成橡胶不仅仅有聚异戊二烯一种,实际上,在轮胎工业,丁苯橡胶、丁烯橡胶的用量都多于聚异戊二烯。丁烯橡胶的单体是1,4丁二烯,这个化合物可以通过乙醇发酵得到,而乙醇是可以完全来自生物产品的,从而实现这条合成路线的可再生。利用生物原料来制备乙烯的方法也是存在的,实际上整个以乙烯为基础石油化工行业在技术上都有被可再生资源替代的可能,也就是说,合成橡胶完全可能全部来自可再生资源。

这样,通过寻找新的物种扩大天然橡胶的生产,通过生物工艺生产合成橡胶的单体,橡胶的生产就有可能实现完全可再生,可持续。世界最大的轮胎制造商普利斯通索性提出了明确的目标,结合其轮胎使用的纤维、炭黑等辅料的可再生生产途径的开发,要在2050年实现轮胎的完全可再生生产。虽然这个口号现在听起来还有些夸大,但是仔细分析,还真不是不可能。

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