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创新交流
中国科技成果\2008年\第23期\编辑\胡杨\E-mail:zhyh@https://www.doczj.com/doc/7110575085.html, CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY ACHIEVEMENTS
生物化工将取代石油化工 成为未来化工业主流
文/封 颖 1,2 (1 中国科学技术信息研究所,北京 100038;2 北京大学环境科学与工程学院,北京 100871)
摘 要:随着全球石油资源的日益枯竭,生态环境 前到 2020 年,生物技术将拓展到染料,聚合物,表面活 性剂,精细化学品,食品添加剂等产品的生产中;生物 质将成为重要的化学工业原材料;到 2020 年,世界化学 工业将进入以生物科学快速发展为特征的第三轮创新高 潮 [1]. 美国银行化工分析师认为,未来化学工业投资必 须重新定位(capital relocation) ,因为投资于传统石化 产品"已无吸引力" . 美国国家科学研究委员会预测认为,到 2020 年生 石油化工技术和产业为 20 世纪带来了高度的文明 和便利.近年来,随着全球石油资源的日益枯竭,生态 环境日益恶化,用生物质原料生产生 物化工产品来替代石化产品已成为当 前发展的必然趋势. 生物化工是化学工程的一个前沿 分支, 它应用化学工程的原理和方法, 研究解决有生物体或生物活性物质参 与的生产过程,即生物反应过程中的基础理论及工程技 术问题.目前生物化工已经展现出了逐渐取代石油化工 的历史趋势,它将给原料来源,能源消耗,经济增长, 环境保护等方面带来根本性的变化,对经济和社会的可 持续发展产生重大而深远的影响. 20 世纪,杜邦公司的主旋律是石油化工产业;进入 21 世纪,杜邦公司宣布将以生物业务作为其公司第三个 一百年的指导思想.2004 年初,杜邦公司进行了 600 多 亿美元的业务剥离和大规模重组,毅然卖掉了仍能获取 巨大利润的石油业务,宣布将加大其在生物化工技术领 域的投资,2008 ～ 2011 年间,杜邦公司将向应用生物 技术部门投资 5 亿美元. 物化工制品将占全部化工制品的 25%,到 2090 年则将占 90%(见表 1) .
日益恶化,生物化工替代石油化工已成为当前发展的必 然趋势.本文介绍了生物化工产业的崛起及其优势,分 析了全球生物化工产业的发展趋势以及当前我国生物化 工产业的发展目标. 关键词:生物化工;石油化工 DOI:10.3772/j.issn1009-5659.2008.23.017
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生物化工的崛起及其前景
美国,欧盟等国的有识之士早已认识到了生物化工 的崛起及其前景.美国著名的《化
学周刊》杂志曾经组 织了"化学工业:2020 年展望"大讨论,对未来 15 年 内世界化学工业的发展进行预测.美国和欧盟化学委员 会,化学遗产财团公司,陶氏化学等著名化工公司的总 裁和 CEO 均参与了讨论.与会者认为,生物技术已经 对工业所采用的某些酶和有机物产生了重要影响;从目
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生物化工的优势
与石油化工相比,生物化工有其独特的优势: (1)原材料丰富.生物化工与石油化工相比,首 先在于原料优势.2007 年我国共进口原油 1.63 亿吨, 同比增长 12.4%,我国石油依存度已近 50%,接近警 戒线.我国生物质资源则很丰富,可利用的木质纤维
作者简介:封颖,中国科学技术信息研究所助理研究员,北京大学环境科学与工程学院博士研究生.
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素资源达到 20 亿吨 / 年以上,与我国的能源年消耗量 数量级相同. (2) 环 境 友 好 性. 化 工 企 业 是 节 能 减 排 主 战 场. "十一五"期间,石化企业要实现万元 GDP 能耗降低 20% 的硬性目标.面对这一节能减排硬杠杠,生物化工成了 最好的选择.美国著名咨询公司麦肯锡咨询公司一份研 究报告认为,应用生物化工技术可以在未来 20 年中减少 传统化学工业原料,水和能源消耗的 30%,并减少 30% 的污染物排放.2001 年,OECD 在一些国家和地区进行 了生物技术用于改造传统产业的 21 个试验.试验主要是 测试生物技术对传统重污染工业的绿色改造效率:①在 改造纸浆和造纸行业方面,生物技术能减少漂白过程 中 10% ～ 15% 的氯排放量,并且将漂白过程中的能量 消耗降低 40%;②在改造纺织业方面,生物技术可以减 少 14% ～ 18% 的水消耗量,与水有关和空气散热方面 的费用减少 50% ～ 60%,漂白过程的能源消耗也将降低 9% ～ 14%;③塑料产品生产改造方面,用生物有机原料 替代石化原料,能够减少 20% ～ 80% 的对石化资源的需 求,而且产品是可自然降解的"绿色塑料" .美国生
[3]
艺过程将会被生物过程所取代 [5].未来生物化工研发主 要涉及以下方面: (1)提高有机酸等产品发酵生产技术水平,以满足 工业,农业,医药诸多方面的需求. (2)发展单细胞蛋白(SCP)等产品工业化生产, 以满足饲料工业发展的需求,并更多地提供生物化工原 材料. (3)推动生物降解塑料的应用.相对于普通塑料, 生物塑料可降低 30% ～ 50% 石油资源的消耗. (4)改变现有食品结构,使之多样化,富含营养保 健功能,药膳结合,简便易行. (5)提高微生物生产丙烯酰胺,PHB 产业化生产 水平,既有利于生物塑料产业化,又有益于保护生态 环境.微生物生产丙烯酰胺,产品纯度高,选择性好, 转化率达 99% 以上;微生物
生产 PHB,尽管有独特优 越性, 但须降低成本, 才有可能与化学速率显示竞争力. (6)微生物多糖及双糖,生物色素,酶制剂,甜味 剂表面活性剂以及生物粘合剂等产品有效开发,对微生 物技术及发酵工程应用是大有可为的. (7)提高氨基酸等产品工业化生产水平,以满足食 品工业,医药工业及农林等多方面的需求. (8)生化技术治理化学工业生产的污染物,特别是 微生物技术的应用潜力巨大,前景广阔,它在保护环境 和实现环保产业中将大有作为 [6].
物技术行业协会也进行了相关评估:在漂白工艺中应用 工业生物技术,对水和空气进行漂白的氯的总量要降低 10% ～ 15%,同时与漂白相关的能量要降低 40%,并且 随废水排出的毒性物质也要减少.纺织品生产中的耗水 量要减少 17% ～ 18%,同时降低 50% ～ 60% 的耗水量 和空气排放量的成本.用有机原材料取代石油化学原材 料,在塑料制品生产中降低 20% ～ 80% 石油化学物的消 耗量,同时塑料制品生产中废料的产生也要降低 80%[4]. (3)生产过程温和.石油化工需在高温,高压,强 酸,强碱等剧烈反应条件下进行,易造成许多不安全因 素.生物化工一般都采用微生物菌种作为催化剂,生产 过程一般都在常温常压下进行,安全性较高. (4)反应专一性.由于生物酶催化反应一般都有很 好的专一性,不仅有底物专一性,而且还有立体化学专 一性,因此现代生物技术过程副反应极少. (5)设备同一性.生物技术生产化学品的设备一般 都很相似,常可更换生产品种,而不像传统化工设备有 明显的专一性.在工程技术开发和装备研制上,生物化 工都可以与石油化工有机结合.
4 目标
当前我国生物化工产业的主要发展
4.1 以聚乳酸(PLA)为代表的生物塑料
北京奥运会和残奥会给世人留下了"绿色奥运"的 理念和实践——奥运会使用的 570 万个垃圾袋全部采用 全降解生物塑料,这种塑料袋以玉米淀粉为原料,丢弃 后 72 天内即可自然分解为二氧化碳和水,不会对环境造 成任何污染.通过绿色奥运的契机,人们接触并接受了 生物塑料这一新生事物.奥运会之后,很多企业已经在 大力开发进入寻常百姓生活的可降解生物塑料制品,如 生物塑料铅笔盒,可降解生物拼插及剪贴儿童玩具等等. 生物塑料将是我国生物化工目前应该大力发展的主要方 向之一. 目前聚乳酸被产业界认为是最有市场潜力的新型生 物包装材料之一,现在全球生产能力为 2.5 万吨 / 年. 它以糖蜜等发酵制成的乳酸为原料,再通过直接缩合聚 合法,或其二聚体丙交酯开环聚合法等方法化学合成的.
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世界生物化工产业的发展趋势
目前全球生物化工产业以 18% 的年增长速度迅猛发 展.OECD 预计,到 2020 年将
有 20% ～ 30% 的化学工
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在聚乳酸生产路线中,乳酸单体首先通过谷物淀粉 水解为葡萄糖,葡萄糖由发酵过程转化为乳酸钠, 由此来制备.乳酸进一步浓缩,然后按照缩聚(形 成预聚合物) ,热解聚(形成二丙交酯) ,开环聚合 和解聚顺序进行聚合.得到聚乳酸的分子量高达 75000g/mol.聚乳酸生物塑料对人体无毒无害 (其 主要成分为"乳酸" ,系人体内的固有物质) ,故最 适合加工成一次性饭盒以及其它各种食品,饮料外 包装材料.聚乳酸还可用于生产仿棉纤维以及纺羊 毛,仿丝绸纤维,可单独纺丝(或与其它天然纤维 混用)用于生产各种织物.聚乳酸生物塑料纤维织 物抗皱性强,透气性好,穿着舒适,非其它化纤织 物可比.该生物塑料由于韧性好故适合加工成高附 加值薄膜,用于取代目前易破碎的农用地膜.其最 大优点是在使用几年后可自动分解,不像 PVC 或 聚乙烯薄膜那样会造成环境污染. 玉米是生物降解塑料的首选原料.制造生物 降解塑料的工艺过程为:首先把玉米磨成粉,分 离出淀粉,再从淀粉中提取出原始的葡萄糖,最 后用类似啤酒的发酵工艺将葡萄糖转化成乳酸, 再把提取出来的乳酸制成聚乳酸.除玉米外,一 些常见农副产品如甜菜粕,砻糠,玉米秸秆等等 均可用于发酵乳酸从而成为生物塑料的原料.
川维尼纶厂具备了年产 0.9 万吨生物乙烯的产量.
4.3 淀粉替代石油合成乙二醇,1,2- 丙二醇,1,3丙二醇,1,4- 丁二醇等化工醇化工产品
从淀粉出发可合成乙二醇,1,2- 丙二醇,1,3- 丙二 醇等化工醇是我国生物化工发展的又一方向.国外已经对淀 粉生产的山梨醇氢解制取乙二醇,1,2- 丙二醇和丁二醇等 进行了很多研究,而我国在产业化方面走在了前面.国家重 点项目——长春大成集团年产 20 万吨玉米化工醇项目 2006 年已建成投产.1,4- 丁二醇通常经过化学合成法得到.美 国 Argonne 国家实验室等已经联合开发酶法工艺,将葡萄糖 转化成丁二酸,再用适当的催化剂将其转化为 1,4- 丁二醇. 该工艺的特点是易于操作,成本低廉,可达世界级规模(10 万吨 /a) ,已有计划和 ApplidCarbochemicals 公司合作,将 该工艺推向工业化.开展生物法生产 1,4- 丁二醇技术也应 引起我们的重视. 目前,我国乙二醇,1,2- 丙二醇,1,3- 丙二醇等大 量依赖进口.我国生物化工应在现有淀粉原料生产化工醇技 术的基础上不断完善和创新,争取尽快形成技术,规模和产 品性能的优势.
5
结
语
生物经济正在成为信息经济之后世界经济的又一个新 增长点,生物产业有望在 10 ～ 15 年内成为我国的支柱产 业.目前,我国生物化工技
术与产品都处于起步阶段,还受 到资源, 资金, 技术等多方面制约.生物化工属于朝阳产业, 符合生物替代石油的能源战略.我国应在生物化工的科研开 发,工程放大,项目建设上给予重点扶持,尤其是对具有示 范带动作用的项目,国家要在投资,贷款和税收等方面给予 支持. CSTA
4.2 生物制乙烯
乙烯是石油化工工业的龙头产业,也是最重要 的基本有机化工原料之一.随着油价飞涨,石油制 乙烯的成本迅速增加,市场竞争力下降,生物制乙 烯代替石油制乙烯已成为当前发展的必然趋势.生 物法制乙烯是以大宗可再生生物质为原料,通过微 生物发酵得到乙醇,进而在催化剂的作用下脱水生 成乙烯. 目前我国发展生物乙烯面临着很大优势.我 国乙烯供不应求,一半乙烯都靠进口,生产乙烯具 有巨大的市场缺口和需求空间,2005 年乙烯市场 需求达到 19Mt,专家预计 2010 年将达到 26Mt, 2020 年将突破 40Mt.另外,乙烯下游产品的附加 值都较高,如环氧乙烯大约 1.7 万元 / 吨,乙二醇 8400 元 / 吨, 聚乙烯 1 万元 / 吨, 醋酸 7900 元 / 吨, 所以无论是石油法制乙烯还是生物法制乙烯,利润 空间都很大.目前,我国生物乙烯企业也在纷纷上 马.2004 年,安徽丰原集团投产了我国目前年产 量高达 1.7 万吨的生物乙烯装置.隶属中石化的四
参考文献
[1] 需求等因素转变将影响化学工业今后 15 年发展 . 试剂 与精细化学品,2007, (2) [2] https://www.doczj.com/doc/7110575085.html,/nrc/index.htm [3] 邢雪荣等 . 工业生物技术发展现状及未来趋势 . 中国 科学院院刊,2007, (3) [4] 张强等 . 工业生物技术为我国提供历史性战略机遇 . 国 际技术经济研究,2006, (2) [5] OECDIEA.Energy Technology Perspectives Scnarios&Strategies to 2050[M].USA, 2006, (7) [6] 欧晓明 . 生物化工概述 . 泸天化科技,2006, (1)
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生物化工将取代石油化工成为未来化工业主流
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 引用次数: 封颖 中国科学技术信息研究所,北京,100038;北京大学环境科学与工程学院,北京,100871 中国科技成果 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY ACHIEVEMENTS 2008,(23) 0次
参考文献(6条) 1.需求等因素转变将影响化学工业今后15年发展 2007(2) 2.查看详情 3.邢雪荣.刘斌 工业生物技术发展现状及未来趋势[期刊论文]-中国科学院院刊 2007(3) 4.张强.周永春.张俊祥 工业生物技术为我国提供历史性战略机遇[期刊论文]-国际技术经济研究 2006(2) 5.OECDIEA Energy Technology Perspectives Scnarios&Strategies to 2050 2006 6.欧晓明 生物化工概述 2006(1)
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