把废弃甲壳转变为富含氮的化学物质，将有益于经济和环境，新加坡国立大学化学与分子生物工程系的绿色化学教授颜宁和该系的研究员陈羲说。
废弃的虾壳含有可以用来丰富动物饲料的营养成分
每年，全球会产生大约600万～800万吨废弃的蟹、虾和龙虾壳――仅东南亚就有约150万吨。一条金枪鱼75%的重量可以提取为鱼片，但一只螃蟹的肉只占40％左右的质量。
在发展中国家，这些废弃的甲壳常常只是被倾倒在垃圾填埋场或海洋中。而在发达国家，处理废弃甲壳的费用会比较高昂――例如，在澳大利亚，高达每吨150美元。
但是，这些甲壳其实包含有用的化学物质――蛋白质、碳酸钙和几丁质，几丁质是类似于纤维素的一种聚合物，但含氮（参见图片“甲壳的生物精炼”）。这些甲壳对于化工业的潜在价值正被人们忽视。科学家应该研究出精炼甲壳动物甲壳的可持续方法，政府和工业界应该投资使用这种丰富而廉价的可再生资源。
干虾壳估价只需每吨100～120美元，它们可以磨碎用作动物饲料添加剂、鱼饵、肥料，以及几丁质生产。其回收价并不比农业残余物和废弃物高很多：玉米秸秆和小麦秸秆，可燃烧供热或提炼成化学物质，售价为每吨50～90美元。
甲壳动物的甲壳含有20%～40%的蛋白质，20%～50%的碳酸钙和15%～40%的几丁质。这些成分能有什么用途呢？
蛋白质 是很好的动物饲料。例如，对虾的虾壳含有所有必需的氨基酸，其营养价值堪比大豆粕。如今，这些蛋白质无法利用，是因为目前的加工方法会破坏它。随着禽畜养殖的迅速增长，来自东南亚的甲壳动物的废弃甲壳可以转变为富含蛋白质的动物饲料，根据世界银行的数据，其年度市场价值超过一亿美元。
碳酸钙 广泛应用于制药、农业、建筑和造纸业。目前，它主要来源于地质资源，如大理石、石灰石。虽然这些来源很丰富，但可能包含很难去除的重金属。因此，来自甲壳的碳酸钙能让人体更好地吸收，例如作为药丸的一种成分。也许，源自食物的药片比岩石制作的药片更容易让人接受。粗颗粒的研磨碳酸钙的市场价格大约是每吨60～66美元，用于建筑、色素、填料和土壤处理。超细颗粒的研磨碳酸钙可用于改善橡胶和塑料的特性，其市场价格能达到惊人的每吨14 000美元。即使来自东南亚甲壳动物甲壳的碳酸钙被加工成最便宜的粗颗粒，年度市场价值也会高达4 500万美元。
几丁质 是一种线性聚合物，也是地球上第二丰富的天然生物聚合物（仅次于纤维素）。它存在于真菌、浮游生物和昆虫、甲壳动物的外骨骼中，每年生物体能产生1 000亿吨几丁质。目前，这种聚合物及其水溶性衍生物――壳聚糖，只在工业化学的少数适合领域中使用，比如化妆品、纺织品、水处理和生物医药，它的潜力其实更为巨大。
与纤维素等其他形式的生物质不同，几丁质含有氮。含氮化合物广泛应用于制药工业、二氧化碳固定、纺织品和其他领域，对现代生活很关键。例如，含氮有机化合物吡嗪，是艾司佐匹克隆（用于治疗睡眠困难）和瓦伦尼克林（用于治疗尼古丁成瘾）等若干种畅销药物的必需成分。乙醇胺用于发电厂的二氧化碳固存和亲肤性肥皂、家用清洁剂和表面活性剂。含氮化学物具有广阔的市场――全球每年大约使用200万吨乙醇胺，年度销售额约为35亿美元。
氮化合物的工业生产涉及化石燃料和能源密集型工艺流程。首先，氮气必须通过哈伯法转化为氨，但这一过程因其很低的反应效率而臭名昭著，仅此方法就占到了全球能量消耗的估计2%～3%。消耗每摩尔氮气，要使用来自于化石燃料的3摩尔氢气。
深加工则很复杂且成本高昂。例如，产生乙醇胺需要6个步骤：利用煤或天然气制备氢气；从空气中分离氮气；合成氨；从原油裂解出乙烯；把乙烯转化成环氧乙烯；然后把环氧乙烯转化为乙醇胺。
几丁质可能是生产乙醇胺的一个更合适的起点。利用已束缚在聚合物中的碳、氮和氧，仅需一个步骤就可以生产乙醇胺。此外，通过单一步骤就能衍生出其他5种化学物质，而且这个衍生物清单还在增加。然而，到目前为止，还只是在实验室小规模地用这种方法生产出乙醇胺。
化学挑战
用现有的方法从废弃的甲壳中提取化学物质是破坏性的，效率较低且不经济，需要分离出不同的成分，这个过程被称为分馏。用氢氧化钠溶液除去蛋白质而用盐酸分解碳酸钙――这两者都是腐蚀性和危险的溶剂。
为了制备壳聚糖，要用浓度为40％的氢氧化钠溶液处理几丁质。利用虾壳生产一千克壳聚糖需要一吨多水。
因此，高品质几丁质的价格可以高达每千克200美元，尽管原料很便宜。全球对精炼几丁质的工业使用量很低（用于膜、给药、食品和化妆品）：每年大约一万吨。几丁质生产设备数量也很少，中国、日本、泰国和印度尼西亚有一些。把几丁质和壳聚糖转化为其他化学物质，则会造成更多问题。天然的几丁质是一种晶体材料，能阻止试剂很容易地接近聚合物链。在苛刻的反应条件下，聚合物链很容易发生副反应而形成无数复杂的化合物，而从反应器中分离出生物基产品往往很费力。
在我们看来，这些挑战并不比把木质生物质加工成生物燃料和其他化学物质更大，后者从实验室走向商业化历时20年。
从废弃甲壳建立起一个利润可观、可持续发展的产业则需要创造性化学。它需要一种可持续的分馏法来分离蛋白质、碳酸钙和几丁质，而避免使用腐蚀性和危险的试剂，并且最大限度地减少浪费。
新技术正在出现。例如，墨西哥和英国的研究团队在21世纪初展示了一种在实验室和试验工厂生产几丁质的乳酸发酵法。这种方法在单一反应器中可以转化高达30～50千克的甲壳废弃物。英国、美国和中国的研究团队已经研发出了一种能消耗蛋白质、分解碳酸钙的细菌混合物。蛋白质酶解产物和乳酸钙是副产品，可用于动物饲料和补钙剂。
另一个选择是设计和使用可以溶解碳水化合物聚合物、提取几丁质的离子液体（带有离子官能团的液体有机化合物）。用这种方法生产的几丁质聚合物有长链和高分子量，可以纺织成纤维和薄膜，例如用于伤口敷料和水处理。
研究者还需要探索物理的不用溶剂的甲壳分馏法。球磨法可以用于精细地研磨甲壳，并分裂晶体。把化学力和机械力结合起来被证明是有利的。例如，使用球磨和酸催化剂，无需加热就可以降解木头。结合蒸汽爆破与酸是另一种释出甲壳成分的方法。
球磨法和蒸汽爆破已被用于中试规模的木质生物质精炼，但很少有人注意到这些技术用于废弃甲壳的潜力。
龙虾壳含有富氮化合物几丁质，可用于制药
把几丁质转化为小的含氮化学物――例如乙醇胺的衍生物和广泛使用的有机溶剂呋喃――正在快速发展，尽管还在早期阶段。可能至少需要5年时间扩大工艺规模，需要另外10年实现商业化。未来的研究需要探索从几丁质到其他化学物的转化路径，通过改进催化作用，预处理和简化产品的分离来提高产品的产出。
甲壳精炼厂
我们建议开发一条工艺管线来精炼废弃甲壳，就像木质生物质（主要由纤维素、半纤维素和木质素组成）在一套设备中被分离和转化为一系列产品。这个开发项目需要多方合作，公众对能源安全和气候变化的关注会对此有所推动。它还需要来自政府、化工和燃料工业的财政支持。甲壳废弃物生物精炼厂将在东南亚及其他地区创造新的产业机会。
政策制定者、研究机构、政府、资助者和公众的大力支持是关键。要攻克技术障碍，急需全世界科学家的基础研究。
在未来5年，应该上马一个数百万美元的项目，利用新技术建立第一个工艺管线。这个项目应该得到甲壳废弃物丰富的国家政府的支持，由具有互补专业技能的研究人员来执行，他们的专业涵盖催化作用、材料科学与工程、食品科学和生命周期评估。公司――包括甲壳类水生动物的生产者和商人，那些与生物商品、生物材料和其他促进可再生材料有关的公司――应该重新评估环境友好的、有利可图的废弃甲壳精炼厂的潜在市场，从事将新兴技术商业化的研究。
未来10年，应当对废弃甲壳的处置实施严格的管理规定，同时奖励使用它们的公司。
资料来源 Nature
责任编辑 彦 隐