科學家認為蝦殼蟹殼作為一種可再生資源價值巨大

2020-12-08 人民網

原標題：海鮮垃圾是塊寶

　　科學家認為蝦殼蟹殼作為一種可再生資源價值巨大

　　科學家應當找出可持續的方式，提煉甲殼類動物的殼，而且政府和企業應當投資這種豐富且便宜的可再生資源。

　　圖片來源：Bert Folsom/Alamy

　　全世界每年能產生600萬～800萬噸廢棄的蟹、蝦和龍蝦殼，其中僅東南亞就佔150萬噸。儘管一條金槍魚有75%的重量能夠食用，但一隻螃蟹的肉只佔40%。

　　在發展中國家，這些廢棄的殼通常被扔到垃圾堆或海洋中。而在發達國家，相關處理費用代價昂貴。例如，在澳大利亞，一噸處理費用為150美元。

　　但這些殼實際包含著有用的化學物質：蛋白質、碳酸鈣、氮和殼質（一種類似纖維素的聚合物）。而這些殼對化學工業的潛在價值時常被忽視。《自然》雜誌撰文指出，科學家應當找出可持續的方式，提煉甲殼類動物的殼，而且政府和企業應當投資這種豐富且便宜的可再生資源。

　　前景廣闊

　　科學家預計，幹蝦殼的價值約為每噸100～120美元。人們可以將其磨碎，用作動物飼料添加劑、魚餌、肥料或殼質生產。當然，這一循環利用的回報並未比農業廢棄物高很多：用於燃燒供熱或提煉化學物質的玉米稈和麥秸每噸售價50～90美元。

　　甲殼動物的殼中含有20%～40%的蛋白質、20%～50%的碳酸鈣和15%～40%的殼質。這些成分能做什麼？

　　蛋白質是優良的動物飼料。例如，對蝦殼包含所有的必需胺基酸，而且營養價值能與大豆飯相媲美。目前，這些蛋白質無法被利用，原因是加工過程對其產生了破壞。但隨著畜牧業的迅速發展，來自東南亞的甲殼綱動物殼可以轉化為富含蛋白質的動物飼料。據世界銀行預計，其年度市場價值超過1億美元。

　　碳酸鈣被廣泛應用於製藥、農業、建築和造紙行業。目前，它主要來源於大理石和石灰石等地質來源。雖然這些來源極其豐富，但可能包含難以去除的重金屬。而這些貝殼中的碳酸鈣能讓人體更好地吸收，比如作為藥劑成分。也許，源自食物的藥片比巖石製作的藥片更容易讓人接受。

　　新加坡國立大學綠色化學教授Ning Yan表示，重質碳酸鈣粗分子的市場價格約為60～66美元/噸，這些物質多用於建築、染料、填料和土壤處理領域。而被用於提高橡膠和塑料特性的超細粒子的價格能達到1.4萬美元/噸。即便東南亞甲殼類動物殼僅作為粗顆粒碳酸鈣使用，其市場價值也有近4500萬美元。

　　殼質是一種線型聚合物，也是地球上第二豐富的自然生物高聚物（第一是纖維素）。它存在於真菌、浮遊生物、昆蟲和甲殼類動物外骨骼中，每年生物體能產生約1000億噸殼質。目前，這種聚合物及其水溶性衍生物（殼聚糖）僅被用於極少的工業化學領域，比如化妝品、紡織、水處理和生物醫藥。因此，科學家表示，其潛能是巨大的。

　　與其他大多數生物質不同，殼質含有氮，而含氮化合物對現代生活十分重要。例如，含氮有機化合物吡嗪是右旋佐匹克隆和瓦倫尼克林等暢銷藥品的必需成分，而發電廠會利用乙醇胺（ETA）隔離二氧化碳。美國市場研究公司Grand View Research在2014年發布的調查顯示，含氮化學品具有相當大的市場空間，每年全球消耗200萬噸ETA，年銷售額約35億美元。

　　另一方面，Yan提到，含氮化合物的工業製備涉及化石燃料和能源密集型產業。首先，氮氣必須通過哈伯博斯制氨法轉化成氨，但這一過程的反應效率很低，而且佔到全球能源消耗的2%～3%。消耗1摩爾氮氣就需要源自化石燃料的3摩爾氫氣。

　　深加工則更複雜且成本高昂。例如，產生ETA需要6步：利用煤或天然氣製備氫氣；從空氣中分離氮；氨合成；利用原油裂化反應生產乙烯；將乙烯轉化為環氧乙烯；然後將環氧乙烯轉化為ETA。

　　研究人員表示，對於ETA生產而言，殼質可能是更穩定的起點。碳、氮和氧已經被束縛在聚合物中，只需要一步就可制出ETA。而且，通過單一步驟就能衍生出其他5種化學物質。

　　化學挑戰

　　新加坡國立大學化學和分子生物工程學部研究員Xi Chen提到，利用目前方法從廢棄的甲殼動物殼中提取化學物質，效率較低且不經濟。「這要求分離出不同的成分，這一過程也叫分餾法。」Chen說，氫氧化鈉溶液可以去除蛋白質，碳酸鈣主要用鹽酸分解，而這些都是具有腐蝕性的危險溶液。

　　而且，為了製備殼聚糖，相關人員需要使用濃度為40%的氫氧化鈉溶液處理殼質。利用蝦殼生產1千克殼聚糖需要超過1噸水。

　　研究人員表示，結果是高品質殼質的成本會上漲到每公斤200美元，儘管原始物料十分便宜。另外，產業界的精煉殼質用量也較少：每年約1萬噸。與此同時，現有殼質設備數量也很低。Yan還提到，殼質或殼聚糖轉化成其他化學品也會造成更多問題。

　　自然殼質是一種晶體材料，能阻止試劑很容易地接近聚合物鏈。在嚴苛的反應條件下，這些鏈條很容易經歷副作用，形成無數複雜的絡合化合物。而反應中，生物基質產品的分離通常是十分困難的。

　　「在我們看來，這些挑戰沒有比將木質生物質轉化為生物燃料和其他化學物質更大，而後者從實驗室走向商業化用了20年。」Chen說。

　　利用殼肥料建立一個利潤可觀且可持續發展的產業則需要創造性化學。它需要一種可持續的分離法，分隔蛋白質、碳酸鈣和殼質，而且應避免使用腐蝕性危險試劑，並要減少浪費。

　　不過，新方法正在浮現。例如，墨西哥和英國研究人員提出了殼質製備的乳酸發酵工藝。該過程能在單一反應器中轉化30～50千克殼廢料。英國、美國和中國研究人員則研發出一種能消耗蛋白質和分解碳酸鈣的細菌混合物。蛋白水解質和乳酸鈣作為副產品，可用於生產動物飼料和鈣補充劑。

　　另外，美國賓夕法尼亞大學科學家曾發現，被丟棄的蟹殼、蝦殼很可能是延長水上傳感器的供電源——微生物燃料電池使用壽命的關鍵。他們用一個由碳纖維布製作的枕頭狀電極，對包括殼質在內的各種甲殼物質進行研究。電極被放置在海底沉積物裡或懸在水中，以供自然存在的微生物通過吞吃殼質維持體力，四下遊動，造成電荷流動。研究人員測試了兩種不同尺寸的殼質，結果發現，在無需為細菌增加有機食物的情況下，細顆粒殼質和粗顆粒殼質都能增加海洋微生物燃料電池的產電能力。

　　著手工作

　　另一個選擇可能是設計和使用離子液體。這種液體能溶解碳水化合物聚合物和提取殼質。利用這種方式產生的殼質聚合物具有長鏈條和高分子量，能被製成用作傷口敷料或水處理的纖維或薄膜。

　　研究人員還需要探索用物理性、無溶劑的方式分離甲殼類動物殼中的化學成分。球磨法（將材料放置在旋轉氣缸的金屬球中）能細緻地磨碎貝殼，並打破晶體。而結合化學和機械力被證明將十分有效。例如，使用球磨法和酸性催化劑，不加熱便可分解木頭。Yan和Chen撰文提到，雖然球磨法等技術已經被用於木質生物質的提煉，但幾乎沒有人注意到這些技術在殼廢物方面的潛力。

　　不過，將殼質變為ETA衍生物或呋喃等含氮化學品正在發展。研究人員表示，至少還需要5年時間才能擴大規模，另外10年開展商業化。未來研究將需要探索從殼質到其他化學品的研究路線，通過改進催化作用和預處理，提高產品產量。

　　「我們建議開發一套殼廢物精煉工藝管線，正如木質生物質能在一套設備中被分離和轉化為不同產品。」Yan說。目前，歐洲正在開發新的方法，用於加工殼質豐富的漁業產業廢物並且生產精細化學品的綜合性解決方案。

　　這些進步需要各方努力，並由對能源安全和氣候變化的公共關注所推動，還需要來自政府和化工產業的資金支持。殼廢物生物煉製將為東南亞等地提供新的商業契機。（張章）

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