随着石油基塑料的环境成本增加，研究人员正在探索对生态系统危害较小的可再生和可生物降解替代品。一种势头强劲的替代品是基于藻类的聚合物——源自各种藻类的生物聚合物，包括大型藻类（海藻）、微藻和蓝藻。这些生物产生具有不同结构和化学特性的天然聚合物，为减少对传统塑料的依赖提供了一条可持续的途径。
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它们是如何制造的
藻类聚合物的生产涉及三个关键阶段：培养、提取和聚合物合成。每个步骤都可以根据藻类种类和所生产的聚合物类型进行调整。
培养
藻类可以在不同的环境中生长，包括淡水、海洋系统，甚至废水流。根据物种的不同，它们通过自养、异养或混合营养模式生长。为了优化聚合物产量，藻类通常分两个阶段培养：初始生长期，在营养丰富的条件下促进高生物量生产，然后是应激阶段，例如氮饥饿或盐度改变，触发细胞内或细胞外聚合物的积累。常用的菌株包括小球藻、螺旋藻和微拟球藻，它们以其高产量的脂质、多糖和多羟基脂肪酸酯 （PHA） 而闻名。一些培养系统还兼作废水处理装置，将生物质生产与环境修复相结合。
聚合物类型和来源
藻类生物聚合物来源于细胞壁或细胞内隔室，具体取决于物种。例如，大型藻类会产生藻酸盐、琼脂和角叉菜胶等多糖。海藻酸盐，从褐藻中获得，是一种由甘露糖醛酸和古尔糖醛酸组成的线性共聚物。红藻以生产角叉菜胶和琼脂而闻名，这两种物质都因其胶凝和增稠能力而被广泛使用。另一方面，微藻和蓝藻合成细胞内聚合物，如 PHA，PHA 是一个由重复酯单元组成的可生物降解聚酯家族。PHA 具有热塑性或弹性体特性，具有空气稳定性，并且可以溶解在各种溶剂中。
萃取
收获后，使用多种方法提取这些聚合物：
- 溶剂萃取使用化学品来分离海藻酸盐和角叉菜胶等聚合物。虽然有效，但它需要大量的溶剂和仔细的控制以防止降解。
- 微波辅助萃取是一种更环保的替代方案，它使用电磁辐射快速加热生物质并提取岩藻糖胶等化合物。它减少了溶剂的使用并缩短了加工时间。
- 超声辅助提取依靠声空化来破坏细胞壁，增强聚合物的释放。它比传统方法更快，可以将产量提高 30% 以上。
- 亚临界水萃取是一种高效、无化学品的工艺，它使用加压热水来提取热稳定的聚合物。它已成功用于提取岩藻多糖和藻酸盐，产量高于传统方法。
每种方法都是根据聚合物的特性和生产规模来选择的。
聚合物合成
提取后，原始生物聚合物可以进行纯化、混合或化学改性以增强其性能。例如：
- PHA 如聚羟基丁酸酯 （PHB） 和聚羟基戊酸酯 （PHBV），是由微藻在营养胁迫下合成的，其加工方式与热塑性塑料类似。
- 藻酸盐、角叉菜胶和海带多糖等多糖可直接使用或加工成水凝胶、薄膜或复合材料。
- 复合材料制造通常涉及使用静电纺丝、熔铸或超声处理等技术将藻类衍生的聚合物与聚丙交酯 （PLA）、PVA 或其他生物树脂混合，以提高强度和耐用性。
其结果是各种生物基材料（从软凝胶和可生物降解薄膜到高强度复合材料）适用于包装、医疗和工业用途。颗粒粒径、填料形状和加工参数的优化可以提高可扩展性和性能。
工业应用
由于其可再生性、生物相容性和化学可调性，藻类衍生的生物聚合物正在多个行业中得到探索。主要应用领域包括生物传感、环境修复、生物医学工程和增材制造。
生物传感器：
在生物传感中，壳聚糖和羧甲基纤维素等藻类多糖已被用于制造薄膜电化学传感器。这些生物聚合物可形成稳定、无毒的薄膜并支持酶固定，使其非常适合实时诊断。例如，已经开发了使用藻类基质的基于漆酶的生物传感器，通过酶-底物相互作用检测药物化合物，为合成传感器底物提供了一种更环保的替代品。
污染物去除
藻类聚合物在废水处理中也发挥着越来越大的作用。海藻酸盐、纤维素和壳聚糖等材料已显示出对重金属、碳氢化合物和药物残留的强大吸附能力。当与粘土结合或与化学基团功能化时，它们的效率和可重用性可以显著提高。一项研究表明，从藻类中提取的磷酸盐改性纤维素可以去除容量超过 45 mg/g 的罗丹明 B 和阿米替林等染料，同时降低二次污染的风险。
生物医学工程
在生物医学应用中，藻类基复合材料用于组织支架、伤口敷料和骨再生。壳聚糖与来自海藻的羟基磷灰石 （HAp） 相结合已被用于模拟骨科植入物中骨骼的矿物结构。用褐藻 （Sargassum vulgare） 增强的聚丙交酯 （PLA） 在生产用于皮肤移植物的胶原蛋白样膜方面也显示出前景。这些材料提供伤口愈合和组织支架所需的必要机械强度、保水性和生物相容性，同时消除了石油基替代品中常见的有毒残留物。
3D 打印
藻类材料越来越多地用于增材制造。在一个例子中，含有纳米氯藻盐藻的 PVA 生物复合材料已被用于创建定制的 3D 结构。这些打印形式已用于环境和医学领域，从用于污染物降解的催化载体（例如，通过 TiO₂ 复合材料分解甲基橙）到用于干细胞生长的生物活性支架。可以通过成分或表面改性来调整材料特性以适应特定应用。
藻类聚合物真的可以取代塑料吗？
藻类基聚合物为传统塑料提供了一种可持续的替代品。它们是可生物降解和可堆肥的，自然分解，没有有害残留物。藻类来自非耕地，不依赖淡水，比农作物生物塑料更环保。这些聚合物也是无毒的，减少了降解过程中对环境的危害，使其适用于包装和生物医学用途。
然而，技术和经济障碍仍然存在。扩大生产规模通常成本高昂，产量和聚合物质量不一致，与物种变化和提取条件有关。材料性能（尤其是在机械强度、防潮性和使用寿命方面）仍然落后于成熟的塑料。为了充分发挥其潜力，未来的研究必须集中在工艺优化、培养放大和材料标准化上。解决这些问题对于使藻类塑料在商业上可行并将其定位为向循环、无化石材料经济过渡的关键解决方案至关重要。
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