生物化工：綠色低碳的希望

○ 文／姚耀富

生物化工：綠色低碳的希望

○ 文／姚耀富

用生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物化工產(chǎn)品來(lái)替代石化產(chǎn)品，近年來(lái)已成為一條希望之路。

農(nóng)作物秸稈、林木剩余物等這些生物質(zhì)材料，也能成為化工原料嗎？現(xiàn)在，這已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，以生物質(zhì)為基本原料的生物化工在世界范圍方興未艾，被稱(chēng)為21世紀(jì)最有生命力的技術(shù)。我國(guó)《石化和化學(xué)工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中，已將生物化工作為重要內(nèi)容。在中國(guó)石化，生物化工已成為需要重點(diǎn)創(chuàng)新突破的戰(zhàn)略性新技術(shù)之一。

能源危機(jī)的必然選擇

●生物能源，異軍突起。 供圖/CFP

面對(duì)傳統(tǒng)能源走向枯竭的危機(jī)，生物能源卻顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性—不含硫，且碳循環(huán)是動(dòng)態(tài)的。近年來(lái),用生物質(zhì)原料生產(chǎn)生物化工產(chǎn)品來(lái)替代石化產(chǎn)品已成為石化業(yè)綠色低碳發(fā)展的希望之路。到2020年,世界化學(xué)工業(yè)將進(jìn)入以生物科學(xué)快速發(fā)展為特征的第三輪創(chuàng)新高潮。美國(guó)杜邦公司將石油化工作為20世紀(jì)的主旋律，進(jìn)入21世紀(jì),就宣布將以生物業(yè)務(wù)作為公司第三個(gè)一百年的指導(dǎo)思想。2004 年初,杜邦公司進(jìn)行了600多億美元的業(yè)務(wù)剝離和大規(guī)模重組,毅然賣(mài)掉了仍能獲取巨大利潤(rùn)的石油業(yè)務(wù),宣布將加大其生物化工技術(shù)領(lǐng)域的投資。

據(jù)中投顧問(wèn)化工研究員常軼智介紹，目前生物能源居于世界能源消費(fèi)總量的第四位，僅次于煤炭、石油和天然氣。世界各國(guó)日益關(guān)注生物能源的開(kāi)發(fā)和研究。美國(guó)的“能源農(nóng)場(chǎng)計(jì)劃”，預(yù)計(jì)到2016和2017年度生產(chǎn)酒精的玉米使用量將超過(guò)玉米總產(chǎn)量的30%。生物柴油中大豆油使用量將占到大豆油產(chǎn)量的2／3，從纖維中提煉油料也將逐步進(jìn)入能源更新計(jì)劃。巴西的“酒精能源計(jì)劃”，南部地區(qū)一些原本種植谷物和油料作物的土地將被改種甘蔗，中西部地區(qū)原本生產(chǎn)大豆的土地也將被改種甘蔗。這樣生物燃料總生產(chǎn)量將從目前的大約5200萬(wàn)加侖增長(zhǎng)到2016年的9200萬(wàn)加侖。此外，還有日本的“陽(yáng)光計(jì)劃”、印度的“綠色能源工程”等 。

我國(guó)政府也十分重視生物能源的開(kāi)發(fā)，早在上世紀(jì)50年代就在農(nóng)村推廣沼氣，并收到良好的效果。本世紀(jì)初國(guó)家又決定發(fā)展燃料乙醇，先后在東北、華中和華東建立了大規(guī)模的燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)，目前已有部分省市的汽車(chē)在使用乙醇汽油。近年來(lái)我國(guó)還投入了相當(dāng)?shù)牧α拷M織生物能源的研究與攻關(guān)，在產(chǎn)能微生物研究、生物轉(zhuǎn)化研究、過(guò)程與設(shè)備研究等方面都取得了可喜成果。

生物化工已經(jīng)成為世界著名化學(xué)公司爭(zhēng)奪的熱點(diǎn)。生物技術(shù)從醫(yī)藥領(lǐng)域逐漸向化工領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，使傳統(tǒng)的以石油為原料的化學(xué)工業(yè)發(fā)生變化。如傳統(tǒng)化學(xué)法合成的丙烯酰胺已在日本實(shí)現(xiàn)了生物法合成工業(yè)化，成本和產(chǎn)品純度都優(yōu)于化學(xué)法合成的丙烯酰胺。又如杜邦公司開(kāi)發(fā)的生物法合成乙醛酸的轉(zhuǎn)化率和選擇性都達(dá)到100%，明顯優(yōu)于化學(xué)合成法。美國(guó)從事生物化工的企業(yè)大大小小已有1000多家。

化腐朽為神奇

作為參與生物化工的起步，揚(yáng)子石化研究院對(duì)生物法制丁二酸進(jìn)行了大量的研究工作。其成果已經(jīng)應(yīng)用到該公司正在建設(shè)的以薯類(lèi)為原料的千噸級(jí)生物法制丁二酸中試裝置上。據(jù)該院生物化工博士馬江鋒介紹，生物化工與石油化工和煤化工的主要區(qū)別，是后兩者在反應(yīng)中要有催化劑，而生物化工則是在微生物的作用下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，也就是要進(jìn)行發(fā)酵。實(shí)際上發(fā)酵技術(shù)在我國(guó)早就有了，傳統(tǒng)的釀酒、制醬、釀醋都需要發(fā)酵。而工業(yè)生物技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)酵的區(qū)別，在于原料從糧食直接發(fā)酵過(guò)渡到分離后的單糖、多糖，發(fā)酵過(guò)程從多菌共存發(fā)酵過(guò)渡到純菌種發(fā)酵，同時(shí)在整個(gè)工業(yè)生物技術(shù)中引入了先進(jìn)的定向進(jìn)化、代謝工程、蛋白質(zhì)工程、多參數(shù)發(fā)酵過(guò)程調(diào)控等技術(shù)。通過(guò)工業(yè)生物技術(shù)轉(zhuǎn)化，可以制成各種各樣的化工產(chǎn)品，目前世界上采用生物制造的丁醇、丙烯酸、乙醇、丙烯酰胺等大宗化學(xué)品年產(chǎn)量已達(dá)1100多萬(wàn)噸，每年可節(jié)省原油1100余萬(wàn)噸，減排二氧化碳近3300萬(wàn)噸。

我國(guó)若能將城市生活垃圾、農(nóng)產(chǎn)品加工剩余物、水生植物低劣生物質(zhì)資源等通過(guò)生物煉制生產(chǎn)生物能源等，則一年約可產(chǎn)生1800億立方米生物甲烷，相當(dāng)于節(jié)省1.4億噸標(biāo)煤，減排約5億噸二氧化碳。如果能將城市生活污水也通過(guò)生物的方法善加利用，可節(jié)水182億噸。生物化工，真是“化腐朽為神奇”！

綠色化工的“酵母”

生物化工對(duì)于促進(jìn)工業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)調(diào)整、促進(jìn)綠色化學(xué)工業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，可以說(shuō)是綠色化工的“酵母”。另外，生物技術(shù)不僅可提供大量廉價(jià)的化工原料和產(chǎn)品，而且還將改變某些化工產(chǎn)品的傳統(tǒng)工藝，甚至一些性能優(yōu)異的化合物也將通過(guò)生物催化合成。現(xiàn)代生物技術(shù)引入化工行業(yè)，既可改造傳統(tǒng)化工產(chǎn)品及工藝，又有研制新型化工產(chǎn)品的巨大潛力。生物化工的發(fā)展將有力地推動(dòng)生物技術(shù)和化工生產(chǎn)技術(shù)的變革和進(jìn)步，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。有專(zhuān)家預(yù)見(jiàn)，將來(lái)在化工領(lǐng)域20%~30%的化學(xué)工藝過(guò)程會(huì)被生物技術(shù)過(guò)程所取代，生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一，生物化工將成為21世紀(jì)的重要化工產(chǎn)業(yè)。

●用生物化工制成的固氮菌劑，可減少化學(xué)氮肥的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色革命。 供圖/CFP

生物化工應(yīng)用已涉及人民生活的方方面面，包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、化輕原料生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品、資源和能源的開(kāi)發(fā)等各領(lǐng)域。如生物化工開(kāi)發(fā)生物固氮領(lǐng)域，研制高效優(yōu)質(zhì)生物固氮菌劑，并探究糧食作物自主固氮功能，為減少化學(xué)氮肥，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色革命做出貢獻(xiàn)，同時(shí)探索高等動(dòng)物及人體腸道內(nèi)固氮菌及其功能，為人類(lèi)制造食用固氮菌劑，改變現(xiàn)有食品結(jié)構(gòu)，為藥膳結(jié)合開(kāi)辟途徑。提高微生物生產(chǎn)丙烯酰胺、聚-β-羥丁酸工業(yè)化生產(chǎn)水平，既有利于生物可降解塑料產(chǎn)業(yè)化，又有益于保護(hù)生態(tài)環(huán)境。發(fā)展再生資源，通過(guò)細(xì)菌合成纖維素等工程，開(kāi)辟化工新原料源，使廢棄的有機(jī)物等通過(guò)現(xiàn)代微生物技術(shù)手段獲取更多的化工產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)廢物資源化。

發(fā)展生物化工時(shí)不我待

面對(duì)生物化工已經(jīng)展現(xiàn)出的逐漸取代石油化工的歷史趨勢(shì),發(fā)展生物化工對(duì)于我國(guó)石油和化工企業(yè)已是時(shí)不我待。目前，我國(guó)生物化工已經(jīng)形成了新的發(fā)展特點(diǎn)：以仿照跟蹤為主向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變、以實(shí)驗(yàn)室研究為主向模式化生產(chǎn)轉(zhuǎn)變、以國(guó)內(nèi)市場(chǎng)為主向開(kāi)拓國(guó)外市場(chǎng)轉(zhuǎn)變，并逐漸形成了獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)生物化工的初步能力。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，尤其是美國(guó)、日本，我國(guó)在生物化工研發(fā)和應(yīng)用上仍然存在差距，技術(shù)力量還是相對(duì)薄弱，產(chǎn)品種類(lèi)有待于進(jìn)一步拓展，生物化工產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備也需要不斷發(fā)展。

在中國(guó)石化企業(yè)建設(shè)世界一流企業(yè)的進(jìn)程中，生物化工是不可缺少的一環(huán)。我國(guó)目前從事生物化工生產(chǎn)的大多是傳統(tǒng)化工行業(yè)的從業(yè)人員，操作水平還比較低。積極培養(yǎng)一批具有生物、化工和機(jī)電等綜合能力的新型生物技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)人才，將自主研究和引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)先支持和鼓勵(lì)研究開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品、新材料、新工藝、新設(shè)備，逐步形成一批中國(guó)生物化工的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品，為生物化工技術(shù)產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變和可持續(xù)發(fā)展服務(wù)，用生物技術(shù)改造傳統(tǒng)的化工技術(shù)，建立新型生物化工產(chǎn)業(yè)，讓生物化工為中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)的發(fā)展增翅添翼。