生物基化學(xué)品帶來的無限機(jī)遇

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生物質(zhì)作為化學(xué)品和塑料的一種資源正在興起。驅(qū)動其發(fā)展的動力可能各有不同，有的是地區(qū)在尋求使其豐富的生物質(zhì)實現(xiàn)商業(yè)化的各種方法，有的則受高油價或氣候變化的驅(qū)使，但是，生物質(zhì)原料正在日益成為關(guān)注的重點。中國的“十二五"規(guī)劃將生物技術(shù)確定為七種“戰(zhàn)略性新興行業(yè)"。除了高度注重生物制藥外，還包括生物制造業(yè)。根據(jù)杜邦公司于2012年發(fā)布的調(diào)查結(jié)果表明，中國消費者對生物基產(chǎn)品的接受度比北美大得多。在調(diào)查中，3/4受訪的消費者表示，他們將“肯定或可能購買生物基產(chǎn)品"。目前，可以獲得的消費產(chǎn)品包括含酶洗滌劑和化妝品。另外，生物塑料的生產(chǎn)能力也在不斷攀升。

目前，有兩種生產(chǎn)生物基化學(xué)品的方法。*種方法是通過對高性能的天然成分進(jìn)行溫和的化學(xué)改性獲得,目前許多大型生物基產(chǎn)品都通過這種方法生產(chǎn)。例如生物制藥、生物基聚合物以及從脂肪和石油中獲取產(chǎn)品。第二種方法是實現(xiàn)一體化生物煉制，需要花費更多精力，但zui終將使得石油化學(xué)工業(yè)發(fā)生革命性變化。與石油化工煉制相類似，生物煉制對生物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)一系列化工原材料和能源產(chǎn)品。zui終目的是利用整個植物，而不是只利用其中的部分，獲取范圍廣泛的產(chǎn)品。

生物塑料是生物基產(chǎn)品中增長zui強(qiáng)勁的市場之一。受到各種塑料需求不斷增長的驅(qū)動，油價的不斷攀升以及對環(huán)境的擔(dān)憂，生物塑料的*增長緩慢，但肯定在擴(kuò)展。

*種生物塑料是熱塑性聚合物，即聚羥基丁酸酯 （PHB），這種塑料被細(xì)菌用作能源儲存器。這種材料在上個世紀(jì)90年代以BIOPOL的商品名投放市場。但是，zui近幾年已不再直接使用生物聚合物。而是利用生物技術(shù)或化工技術(shù)從可再生原料中提取單體，為新（功能性模擬）的聚合物或傳統(tǒng)聚合物提供基礎(chǔ)。

目前，zui為常見的生物塑料是聚乳酸（PLA），工業(yè)化生產(chǎn)聚乳酸開始于1994年。2010年世界范圍內(nèi)的生產(chǎn)能力每年超過22萬t，美國、荷蘭和中國都有生產(chǎn)廠。Research and Markets所作的一份報告指出，2011年5月中國有4個主要的聚乳酸生產(chǎn)廠，不少擴(kuò)建或新項目正在進(jìn)行中。

聚乳酸塑料是一種常規(guī)熱塑性塑料，可在現(xiàn)有生產(chǎn)線上進(jìn)行加工處理。因為這種塑料可以堆肥降解，聚乳酸塑料有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展?jié)摿Γ捎糜谏a(chǎn)一次性包裝產(chǎn)品，如飲料杯和塑料食品包裝托盤等。但由于缺乏基礎(chǔ)降解設(shè)施，目前這些產(chǎn)品均被直接焚燒。聚乳酸熔點低，這使得這種材料不適合用于制造暴露于高溫的物件。

生物技術(shù)和化工技術(shù)工藝被綜合用于生產(chǎn)交酯滌綸。將糖或淀粉進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)乳酸，然后采用二聚體合成工藝在乳酸單體上進(jìn)行開環(huán)聚合生產(chǎn)交酯。

生產(chǎn)生物基聚乙烯（PE）采用*不同的方法，聚乙烯不能生物降解，在歐洲有成熟的回收路徑。從可再生物質(zhì)中獲取乙烯，從生產(chǎn)不同塑料開始直至壽命周期終結(jié)的各種附加價值鏈方案均加以利用。

在中國，生物基乙醇技術(shù)已經(jīng)非常成熟。由于中國的乙烯產(chǎn)量低于需求，將乙醇轉(zhuǎn)換成聚乙烯是一種比較經(jīng)濟(jì)的解決方案。

與化石原料相比，生物基單體的功能（酒精和酸）可在各種塑料應(yīng)用上進(jìn)行探索。例如，丁二酸（琥珀酸）和多元醇（蓖麻油，1,3-丙二醇）被用于生產(chǎn)生物基滌綸。多元醇還可以用于生產(chǎn)聚氨酯，乳酸脫水可生成丙烯酸，可作為聚丙烯酸單體。其他丙烯酸聚合物可以通過丙烯酸與蓖麻油的聚酯化反應(yīng)或與植物油的環(huán)氧化反應(yīng)生成。生產(chǎn)合成橡膠的丁二烯可通過乙醇制取。蓖麻油衍生物可用于生產(chǎn)聚酰胺。

生物基潤滑劑

生物潤滑劑與生物基潤滑劑是兩種不同的產(chǎn)品。生物潤滑劑包括所有容易進(jìn)行生物降解的潤滑劑，不管其為生物基還是礦物基，還是用回收油或合成油生產(chǎn)的。

與礦物基潤滑劑不同，生物基潤滑劑一般是用植物油生產(chǎn)的。根據(jù)要求，它們可以作為天然酯使用，或者經(jīng)過化學(xué)變性生成合成酯。生物基潤滑劑的應(yīng)用范圍涵蓋整個常規(guī)潤滑劑產(chǎn)品系列，包括液壓油、多功能油、發(fā)動機(jī)油和變速箱油，潤滑油和潤滑脂以及特殊油等。

因為生物基潤滑劑的使用壽命長、毒性低、能降解，所以它對于環(huán)境非常友好。雖然這種潤滑劑仍處于研究開發(fā)階段，但是已有研究表明，生物基潤滑劑可能會用于風(fēng)力發(fā)電。與礦物基產(chǎn)品相比，生物基潤滑劑能提供更好的潤滑性。它們以不同方式改進(jìn)系統(tǒng)，還有良好的搬運處理特性以及過濾性能。

生物基溶劑

聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和技術(shù)部（BMWi）進(jìn)行的一項研究表明，系統(tǒng)與創(chuàng)新研究院（ISI）估計溶劑市場每年1970萬t左右。其中，市場總?cè)萘恐械?2.5%可以采用生物質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)，但是，目前僅為1.5%。溶劑是流體，能夠溶解、稀釋或提取其他物質(zhì)，而不改變物質(zhì)或溶劑本身的化學(xué)成分。溶劑通常有芳香烴、脂肪烴、甲醇、酮、酯、醚、乙二醇醚及鹵化烴等化合物。

很多溶劑都是以化石原料為原材料生產(chǎn)出來的?？紤]到可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，預(yù)計溶劑的生產(chǎn)將向生物基溶劑的方向轉(zhuǎn)變。新生物基溶劑包括脂肪酸甲酯（也用作生物柴油）、乳酸酯與甲醇（生成乳酸甲酯）或與乙醇生成乳酸乙酯以及天然物質(zhì)，如從柑橘殼中獲取D-檸檬烯。

另外一種趨勢，是用生物溶劑取代常規(guī)有機(jī)溶劑。例如將生物基琥珀酸或糠醛（纖維行業(yè)的一種副產(chǎn)品）轉(zhuǎn)換成*（THF）。

生物基表面活性劑

生物基表面活性劑（表面活性分子）是通過微生物發(fā)酵或酶催化反應(yīng)產(chǎn)生。表面活性劑一般含有疏水和親水基團(tuán)。生物基表面活性劑的這些基團(tuán)中至少有一種是采用可再生資源生產(chǎn)出來的。

生物基疏水基團(tuán)通常是用椰子油或棕櫚油生產(chǎn)的。親水基團(tuán)一般是用碳水化合物，例如山梨醇、蔗糖或葡萄糖生產(chǎn)的，動物脂肪的使用已經(jīng)大幅度減少。

與此相反，生物基表面活性劑市場正在擴(kuò)展。由于其良好的生物降解能力和無毒性，被廣泛應(yīng)用于油漆、化妝品、紡織、農(nóng)業(yè)、食品和醫(yī)藥等行業(yè)。采礦和礦石加工處理行業(yè)將表面活性劑用作乳化劑，有利于石油生產(chǎn)和污染場地的清潔。

一體化的生物煉制

將生物質(zhì)廣泛用于化學(xué)品生產(chǎn)中，一體化生物煉制具有zui廣闊的前景。德國工程師協(xié)會（VDI）的技術(shù)中心開展了一項研究，評估生物質(zhì)及其在生物煉制方面zui大程度的利用，在一定程度上將會取代常規(guī)石油基生產(chǎn)技術(shù)工藝。該項研究介紹了有關(guān)26個前體（平臺化學(xué)品）生物基生產(chǎn)方法。有關(guān)信息表明，這些前體中已經(jīng)有11個前體的生產(chǎn)已經(jīng)使用生物基技術(shù)工藝。例如，*用生物質(zhì)制造的琥珀酸和聚乳酸，這種產(chǎn)能在世界各地正在擴(kuò)展。

活細(xì)胞中的生物變換或者采用分離酶或者其他酶系統(tǒng)的生物催化，在白色生物技術(shù)行業(yè)已經(jīng)相當(dāng)普及。微生物已經(jīng)被廣泛用于生物變換，其中zui常用的是酵母、腸埃希氏菌和谷氨酸棒狀桿菌。各種己糖（C6糖），例如葡萄糖和果糖被作為前體使用，它們可以通過水解預(yù)處理等方法，從生物質(zhì)中分離出來。但是，需要使用不同的方法將木質(zhì)素從糖中分離出來。目前，木質(zhì)纖維素生物質(zhì)通過機(jī)械工藝或使用酸、苯酚衍生物或熱蒸汽的化學(xué)預(yù)處理工藝，越來越多地采用纖維素酶對之進(jìn)行水解催化預(yù)處理。從木質(zhì)纖維素中回收的半木質(zhì)纖維素中含有大量的戊糖（C5糖），例如木糖，需要特殊的微生物才能分解。

生物質(zhì)加工處理的技術(shù)障礙和解決方案

為了形成有競爭力和有經(jīng)濟(jì)效益的工業(yè)規(guī)模生物基生產(chǎn)，還需要克服很多技術(shù)瓶頸。首先，生物質(zhì)本身的搬運難題，搜集、運輸和加工處理的數(shù)量非常龐大。龐大的數(shù)量不是惟一挑戰(zhàn)，原材料的品種多樣性，也是需要解決的問題。生物質(zhì)的范圍超出玉米和木屑等干燥松散固體，它涵蓋了污泥和液體牲畜糞便等高粘度物質(zhì)。鑒于原材料性質(zhì)的不同，需要采用不同的技術(shù)，將生物質(zhì)移動到目的地。

物流運輸也是需要解決的難題。在交付與工業(yè)加工處理之間生物質(zhì)原材料必須進(jìn)行儲存。木屑經(jīng)常會發(fā)生自燃，這種自燃主要是因為微生物在木材中的分解作用。散裝材料中的導(dǎo)熱差容易加速自燃過程，經(jīng)常產(chǎn)生悶火慢燃，甚至是明火?；瘜W(xué)氧化是整個過程中釋放熱量zui多的反應(yīng)過程，物理過程也可能起到一定的作用。例如，在相對干燥顆粒表面，當(dāng)吸附熱被釋放時，水的吸附使溫度升高。

不僅需要謹(jǐn)慎處理干燥的生物質(zhì)。為了避免液體糞便溢出或逃逸進(jìn)入水系統(tǒng)，甚至進(jìn)入地下水，必須建設(shè)和完善相關(guān)的水管理條例規(guī)定。

在進(jìn)行生物質(zhì)轉(zhuǎn)換之后，產(chǎn)品一般都會高度稀釋，經(jīng)常呈現(xiàn)出復(fù)雜的混合物形態(tài)，含有非常類似的成分。產(chǎn)品中還含有各種殘留物和廢棄物。在發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)和植物提取過程中經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的情況。

滿足化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品凈化和能夠應(yīng)用于下游生產(chǎn)是生物質(zhì)產(chǎn)品遇到的其他挑戰(zhàn)。生產(chǎn)過程中一般都涉及大量水溶液，產(chǎn)品必須從微生物中分離出來。從發(fā)酵液中提取產(chǎn)品的分離費用經(jīng)?？赡苷忌a(chǎn)成本的80%，產(chǎn)品的提純分離費用成為生物技術(shù)生產(chǎn)中的一個重大成本因素。另外技術(shù)工藝障礙還包括開發(fā)新的催化劑和生物催化劑。

如果產(chǎn)品的濃度會對微生物產(chǎn)生不利影響，發(fā)酵過程中的產(chǎn)物會抑制反應(yīng)過程。這一難題可以通過原位產(chǎn)物分離或低酸堿度工藝解決。

從實驗室規(guī)模擴(kuò)大也可能引發(fā)問題。生物基加工處理需要與常規(guī)化學(xué)工藝技術(shù)相結(jié)合。特別是在開發(fā)的早期階段，混合化學(xué)生產(chǎn)是很重要的。美國和中國正在大力開展聚丁二酸丁二醇酯的生產(chǎn)工藝研究，工藝綜合了生物發(fā)酵和化學(xué)加氫技術(shù)。