ACS C&EN封面故事:最应关注的10个化学初创公司(中)

2015-11-25 共计 2368 次阅读

4. Liquid Light

在电化学反应池中制造化学品并不是个新主意。但是Liquid Light公司的独特之处在于,他们依靠太阳能,用这一方法将二氧化碳和水转化成制造塑料水瓶材料的前体——乙二醇

用电化学来生产化学品已经有几十年的历史了,包括从含盐的水生产氯气和烧碱。与制造氯碱的过程相似,Liquid Light的电化学系统是一种水基体系,Liquid Light的首席科学官及其创始人Emily Cole指出。

但是与原有技术不同,作为源于普林斯顿大学的初创公司,Cole和她的同事用影响气候变化的二氧化碳以及清洁能源,作为更加环保的替代方法来生产工业化学品。

作为它的第一个商业化的产品,该公司正在制备乙二醇,这是用于合成聚对苯二甲酸乙二酯(PET,被用来制造饮料瓶)的两种单体之一。另一种单体是对苯二甲酸。

Liquid Light已经得到了石化巨头BP公司和一些风险投资公司的资助,如VantagePoint Capital Partners和Osage University Partners等,在2009年该公司成立以来已获得了超过1500万美元的资金。

另一个重要的支持者是可口可乐,它在七月份与这个初创公司签署了技术开发协议。这使Liquid Light进入该饮料制造商的“绿色”PET瓶开发项目,这个项目被称为“PlantBottle”。

Liquid Light的第一个二氧化碳来源是一家玉米乙醇工厂,其首席执行官、前Covestro氯碱业务主管Dave Law解释说。

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这种方法生产乙二醇的工作原理是将二氧化碳与水相结合,在电化学反应池中发生氢化反应。在这种低能量反应池的内部,涂覆有该公司专有催化剂的电极能够产生甲酸盐,然后被转化为草酸,下一步,草酸被氢化得到乙二醇。

通过在电化学反应池中使用不同的催化剂和其它代替水的原料,该公司还可以生产副产品如氯和丙烯酸。“这些催化剂是我们的秘密武器,”Law说。

目前制作PlantBottle的乙二醇来自于糖基乙醇。乙醇先脱水为乙烯,再转化为环氧乙烷,然后再成为乙二醇。“我们相信我们生产乙二醇的过程减少了步骤,过程更经济,并减少了二氧化碳的排放,”Law说。

到目前为止,Liquid Light在新泽西的实验室的成果已获得了25项专利,其前期主要工作由Cole和普林斯顿大学化学教授Andrew Bocarsly合作完成。

Liquid Light预计,到2017年在加拿大艾伯塔省将有一个中试规模的工厂开始运行。艾伯塔资助的非营利机构Climate Change & Emissions Management Corp为此提供了一部分资金,还为Liquid Light提供了50万美元的研究经费。该公司希望最终通过向化学品制造商出售其技术许可来盈利。

5. NOHMs

我们中的不少人都可以算是“手机控”,这些功能越来越强大的移动设备都面临一个共通的问题——电池电量。一天一充电几乎成了家常便饭。手机快没电时,电量指示的红色会带来一种特殊的焦虑感。除了手机和pad,电池问题也是电动汽车的死穴,我们可不可以有一种更强大、寿命更长的电池?

要想在性能上超过如今的锂离子电池,就需要研发出新的活性物质,以新颖的方式反应。众多公司正努力开发新的电池电极,以提供更大的功率。但当电池充电时,形成的化学物质难以控制,而这些化学物质可能会减少电池的使用寿命,更有甚者会引起爆炸和火灾。

NOHMs的科学家和工程师的技术解决方案是新的电解质和高压阴极,为锂离子电池提供更高的功率,并保护它们免受降解。

电解质的作用是在一个电池的阳极和阴极之间安全地移动锂离子。但是,标准的溶剂型电解质太不稳定,不能为当前的手机电池提供超过3.7 V的电压。NOHMs认为可以通过离子液体提供更长的电池寿命和高达5.0 V电压,离子液体是非挥发性的,并且在高电压和温度下都很稳定,还具有高导电性。

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“从本质上讲,这种离子液体有助于制造耐高温电池,”NOHMs的技术主任Surya Moganty说。但是,因为最好的离子液体非常粘稠,NOHMs必须制定一个配方,以确保正确的电子运输性质。

NOHMs也正在商业化一种新的含硫阴极,以用于无人机和自主机器人等的轻型电池中。硫和锂反应形成的硫化锂能够产生大量的电能,康奈尔大学化学工程教授以及NOHMs创始人之一Lynden Archer说。

但锂硫电池的商业化被电池充电时发生在阴极的反应所阻碍。充电过程产生锂的多硫化物,它们易溶于电解液,并且可以迁移到阳极并破坏阳极材料。

解决这个问题需要一个新的阴极设计。“这是材料科学家通常做的,但是我们化学工程师带来了新的思路,”Archer说。他的团队包括共同创始人Nathan Ball和Shivaun Archer,他们都是化学工程师。

他们提出以硫和碳的纳米复合材料制作阴极将有助于防止硫接触电解液。然而,怎样将硫插入到阴极是一个挑战。他们求助于Moganty——其解决方案是让硫变为气相。作为气体,硫可以在阴极的纳米结构化的碳孔隙内沉积。在其中硫仍可与锂反应,但即使经过多次充放电循环,所得到的多硫化物会保留在孔隙空间,而不会到达阳极。


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该公司得到了美国航空航天局和美国国家科学基金会的小企业创新研究(SBIR)资助,以及来自汽车行业支持的美国先进电池联盟的164万美元资金。NOHMs正在其潜在客户的电池中测试它的新材料。其地理位置也有助于加快研发进程:其所在的伊斯特曼-柯达园区正好有制造材料和产品原型,以及测试新的电池的复杂的基础设施。

6. Padlock Therapeutics

长期以来,医生们认为自身免疫性疾病如类风湿性关节炎和红斑狼疮的病因,是免疫系统被迷惑了——免疫细胞将健康组织看成外部侵入者而发动攻击。于是其解决方案是给患者强有力的药物,来抑制免疫反应。

但是,假如免疫系统实际上并没有被迷惑呢?假如是正常分子出现在一个不正常的地方,从而诱发了这些免疫反应呢?

“涉及到自身免疫性疾病,我们也许做错了,”Padlock Therapeutics的CEO Michael Gilman说到。他认为正确的方式可能是阻止这些错误的分子,而不是阻止免疫系统本身。


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这种关于自身免疫疾病的反传统观点,基于蛋白质精氨酸脱亚胺酶(PAD)的临床、生物和结构上不断增加的证据。在正常情况下,该酶在活细胞内通过将精氨酸转化为瓜氨酸来修饰蛋白质。但是,如果它们逃出正常的环境,例如,当吸烟者吸了一口烟后,其受伤的或死去的呼吸道细胞可能泄漏PAD,如果这时这种酶遇到其从未见过的蛋白质时,就可能错误地修饰这些蛋白质,从而诱使免疫细胞作出反应。随着时间的推移,很多针对瓜氨酸化蛋白质的抗体会积累。最终,免疫系统会进入疯狂状态,并攻击正常组织。

蛋白瓜氨酸化与很多自身免疫疾病有关,包括类风湿性关节炎、红斑狼疮和多发性硬化症。例如,针对瓜氨酸蛋白质的抗体会在患者发病求医之前的10年就在体内产生。

阻止PAD是很难的。Padlock Therapeutics的药物发现工作是由美国马萨诸塞州大学医学院生物化学家和Padlock创始人之一Paul R. Thompson的团队完成的,他们破译了这种酶的内部运作机理。通过解析出PAD2惊人的27种晶体结构,Thompson表明,这种酶只有在结合了6个钙离子之后才会生效。

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这个发现很重要:在细胞内钙浓度低。但是,如果PAD从细胞中释放出来,它们被大量增加的游离钙激活。“这是一个Party,”Gilman说。“它们开始随意将蛋白质瓜氨酸化。”

Padlock正在设计小分子来阻断PAD。这种药物需要与PAD的一种亚型以正确的方式结合反应。在某些情况下,如类风湿性关节炎,Padlock认为需要一个催化抑制剂来阻断活性位点;在其他情况下,如红斑狼疮,需要针对非活性酶的变构抑制剂。该公司的另一位创始人,斯克里普斯研究所的免疫学家Kerri Mowen,还提出多种PAD都可能需要被抑制。

为了把这两个科学家的基础研究见解转化为实际的候选药物,Padlock求助于Evotec。这个CRO公司设计了一种以质谱仪为基础的检测方法,来直接检测目标酶是否瓜氨酸化蛋白质底物。这种方法可以有效的筛选那些可以结合目标酶而不影响其活性的分子。

尽管其科学原理是很有吸引力的,Padlock还要经过很多年才能证明其新颖的治疗自身免疫性疾病的方法是否会帮助病人摆脱病痛。该公司希望它的第一种化合物药物能在2017年年初进行临床试验,这可能是针对红斑狼疮或其它疾病的PAD4选择性变构抑制剂。


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