1969 年 7 月 21 日，一面被特殊设计过的美国国旗插在了月球表面。其中，旗杆使用的是一种铝材，而国旗的材料是——尼龙，价值 5.5 美元。
图｜美国宇航员将国旗插在月球表面 （来源：pixabay）
作为世界三大合成纤维之一（锦纶也即尼龙，涤纶，腈纶），尼龙及其衍生物已经遍及人类生活的方方面面：从尼龙丝袜到食品包装薄膜，从汽车模具到发动机舱，从乐器琴弦到绳索帐篷，都能看到尼龙的影子。
然而，带来便利性的同时，尼龙工业的发展，也产生了高能耗、高污染问题。在传统的尼龙合成工艺中，有一种重要的中间产物，己二酸，它的制备需要高温、高压的特殊环境，并且使用硝酸催化，其产生的酸液、废液，处理成本高昂；同时产生大量温室气体。
这一困扰了科学界和工业界半个多世纪的难题，现在有望得到解决。湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室李爱涛教授团队，设计了一条全新的人工生物合成途径，通过使用生物催化剂、空气中的氧为氧化剂、在常温常压下水溶液中即可完成己二酸的制备。研究成果于 10 月 7 日发表在《自然·通讯》杂志上。
图｜李爱涛团队在《自然·通讯》杂志发表论文
李爱涛告诉 DeepTech，这篇论文一经发表，就接到了多个尼龙生产厂家的电话，询问新工艺的成本和稳定性问题。对于尼龙生产企业来说，己二酸作为最重要的中间单体，如果能够在合成工艺上有所突破，将会引发重大的产业变革。
天才的发明
1927年，美国杜邦公司邀请年轻的哈佛大学有机化学讲师华莱士·卡罗瑟斯（Wallace Hume Carothers）加入，并开出了高达 500 美元的月薪，这在当时几乎是哈佛大学同等职位薪水的两倍（267 美元）。然而，真正吸引卡罗瑟斯加入的，却不在于报酬多少。作为一个重度抑郁症患者，他更在乎杜邦公司正在开展的一个新项目：资助那些纯粹的、基础性的研究。
杜邦公司眼光长远。时任副总裁查尔斯·斯坦（Charles Stine）说服了公司董事会，拿出 25 万美元用于纯科研。他们相信，在基础科学领域的突破会带来更长远的商业利益。而卡罗瑟斯作为化学家赫尔曼·施陶丁格的支持者，迫切地想要证明施陶丁格有争议的理论——聚合物可以由几乎无限长度的分子链组成。
宽松的研发环境（纯科学部门）、杰出的有机化学人才（卡罗瑟斯）和强烈的动机（验证争议性理论）都已齐备，新成果呼之欲出。加入杜邦后，卡罗瑟斯的实验室将重点放在聚酰胺的合成上，这是一种由碳、氧、氮、氢原子组成的长链，可以通过旋转、拉伸产生柔韧的弹性纤维。经过一系列实验探索，1935 年 2 月 28 日，卡罗瑟斯用己二胺与己二酸进行缩聚反应，合成了一种名为聚酰胺 66 的聚合物。其熔点高达 263 摄氏度，结构性质更接近天然丝，拉制出的纤维具有丝的外观和光泽，耐磨性也超过了当时任何一种纤维。
图｜聚酰胺 66 纤维 （来源：东方 IC）
然而，实验室里的成功到工业生产还有很遥远的距离。己二酸和己二胺作为实验室试剂，如何实现大规模低成本生产原材料是个大问题。经过杜邦公司的不懈努力，终于在 1938 年 7 月首次实现较低成本生产出聚酰胺纤维，当年 10 月 27 日，杜邦公司宣布世界上第一种合成纤维诞生，并正式命名其为尼龙。
尼龙的发明，从 1928 年杜邦公司决定资助纯科学研究，到 1939 年完全实现工业化生产，前后历时 11 年，耗资 2200 万美元。遗憾的是，发明人卡罗瑟斯并没有看到尼龙材料应用的那天。聚酰胺 66 成功在实验室合成后的第二年，卡罗瑟斯成为了第一个入选国家科学院的有机化学家，即便如此，作为抑郁症患者，他始终认为自己在科学研究上是失败的， 1937 年，卡罗瑟斯服用氰化钾自杀。
天才离去，但是他发明的尼龙材料却持续造福人类。杜邦公司掌握了尼龙纤维合成工艺后，在 1939 的旧金山国际博览会上，以产品“尼龙长筒袜”首秀，引起轰动，人们从来没有见过这种“像钢铁一样坚固，像蛛网一样精细”的材料。1940 年，尼龙丝袜开始公开发售，上市第一年，美国一共卖出了 6400 万双尼龙丝袜，全国各地的妇女都在排队购买。
图｜女人正在检查尼龙丝袜 （来源：东方 IC）
后来，美国加入第二次世界大战，尼龙成为降落伞的主要材料，用来替代亚洲丝和麻。进一步，尼龙开始替代金属制品，尼龙树脂成为了齿轮、凸轮和阀门的主要材料。
困扰科学家 80 年的问题
时至今日，尼龙的合成工艺已经非常成熟，但是根本的原理并没有发生质的变化。杜邦公司在 20 世纪 30 年代建设的尼龙生产工厂，使用了当时的最新技术，这些技术，依然是今天化工厂的模型。
己二酸作为尼龙合成中最为关键的一步，其合成方式一共有两种。其一是由杜邦公司开发，先制备环己烷，在高温高压下催化，得到 KA 油，进而使用大量硝酸再催化，得到己二酸。其二是日本旭化成公司开发，先用环己烯制备环己醇，再用硝酸催化，同样得到己二酸。
图｜当前制备己二酸的两种主流工艺方法 （来源：财通证券）
但是不论用哪种方法，都会带来难以解决的问题：能耗与污染。在苛刻的高温高压反应环境下，硝酸作为两种工艺的共同催化剂，会腐蚀设备，同时会产生温室气体氮氧化物。根据统计，己二酸生产过程会产生大量的温室气体一氧化二氮，占据全球一氧化二氮排放量的 10%。
李爱涛介绍说，在过去的几十年中，化学家一直在寻找不用硝酸的新合成工艺，但结果并不理想。最新的研究采用重金属催化，替代硝酸，但是稳定性较差。使用重金属又要解决重金属回收问题，成本并不低。
此外，传统的工艺方法已经沿用了几十年，在稳定性、生产成本上都已经做到了最优。除非出现一种全新理念的合成工艺，否则企业没有动力重建产线。
而现在，李爱涛团队的研究成果，完全从一个全新的角度切入，为这一困扰了业界超过八十年的难题带来了解决的曙光。
生物结合化学：用酶催化
酶是一种由活性细胞产生的、具有高度催化作用的蛋白质或 RNA，是一种天然催化剂。李爱涛团队的研究方向，就是用酶来代替硝酸，催化环己烷在常温、常压下生成己二酸。
李爱涛介绍说，在催化环己烷生成己二酸反应中，需要 8 种酶。他们先把这8种酶植入大肠杆菌，再将大肠杆菌放入环己烷悬浮液，常温常压下即可完成己二酸的转化。
那为什么不把酶直接和环己烷混合，而是要借助大肠杆菌呢？
图｜李爱涛团队使用生物催化制备得到己二酸
因为酶的化学反应，还需要其它辅助因子的帮助，这些辅助因子天然存在于大肠杆菌的细胞内。李爱涛说，如果不用大肠杆菌也可以，但是要专门采购那些“辅助因子”，比较昂贵。而大肠杆菌是容易培养的，将 8 种酶植入大肠杆菌，借助其内部的辅助因子及其循环体系完成催化反应，是一种省力、低成本的处理方式。
图｜酶的 3D 图像 （来源：东方 IC）
当生物催化剂（酶）加入环己烷悬浮液后，反应开始。第一个催化底物分子进入酶的催化中心，变成产物，被释放出来，进而第二个、第三个底物分子再重复相同的反应，直至催化反应完成。李爱涛介绍说，这个反应中，最关键的是酶的稳定性。在长时间催化反应下，酶作为一种蛋白质，可能会失活。
如何维持酶的活性，这是李爱涛团队未来的重点研究方向。在论文发表后，企业的咨询电话接踵而至，咨询的问题无非是成本（效率）和稳定性的问题。对于工业生产来说，稳定的高效率产出是准线。
工业化应用的距离
李爱涛团队的研究成果走通了一种新的己二酸合成工艺流程，这种新工艺摒弃了硝酸这种高腐蚀、高污染的催化剂，同时将反应条件从高温、高压转变为常温、常压，这是质的变化。
关于新工艺的效率与稳定性问题，李爱涛坦承还需要进一步的提升。该团队已经完成了 1 升和 5 升反应体系的实验，更大规模的实验正在设计当中。在效率检验上，通常用每升反应体系产生多少克己二酸来衡量。当前，新工艺可用 1 升反应体系产生几克（个位数）己二酸，如果未来要达到工业化生产的效率，起码要做到几十克甚至上百克。
李爱涛对改进酶的催化效率和稳定性有信心。因为当前对酶进行改造，提升其性能的技术和方法都已经比较成熟。
一般来说，酶的改造有两种方式，一种是非理性的，就是随意对酶的结构进行更改，科研人员并不清楚哪里是影响活性的关键位置，随机改造再检测活性，可能“中彩票”。另一种就是理性改造，基于结构信息，弄清楚哪些关键部位会影响酶的活性，定向改造。现在，AI 技术和机器学习技术在生物工程领域的应用，加快了理性改造酶的速度。
实验成功，与工业应用是两回事。回看 1935 年聚酰胺 66 的发明，也并不是一帆风顺。卡罗瑟斯在研究起初，合成了多种聚酰胺，性能均不理想。即便是 1935 年初合成的聚酰胺 510，也因为熔点太低、原材料太贵，不具备商业化价值而放弃。但重要的是，卡罗瑟斯等人的研究走在了正确的路上，方向没有错，发明尼龙只是时间问题。
假以时日，全新的生物催化合成己二酸工艺也许会开启新的尼龙材料时代。
