后化石经济时代工业生物技术发展的若干思考-化工进展.doc

后化石经济时代工业生物技术发展的若干思考 姜 岷 韦 萍 卢定强 徐 虹 周 华 欧阳平凯 南京工业大学制药与生命科学学院 江苏 南京 210009 摘 要 综述了当今人类社会严重的资源 能源与环境危机标志着后化石经济时代的来临 认为发展生物经济 利 用可再生资源通过生物炼制生产生物能源 大宗化学品与生物材料 将可持续发展的工业融入地球大体系的物质 循环之中 实现在太阳能驱动下的工业与农业 将构成人类的新文明 评述了工业生物技术是生物经济的支柱 其 应用将形成生物能源产品工程与生物炼制技术生产大宗化学品与生物材料的产品工程 建立以企业为核心 高等 院校 研究院所共同发展的创新研发模式将大大促进工业生物技术的创新 中国将可以走出一条通往绿色生态现 代化之路 关键词 生物炼制 工业生物技术 生物能源 大宗化学品 生物材料 中图分类号 Q 81 TK 6 文献标识码 A 文章编号 1000 6616 2006 10 1119 05 Considerations on the development of industrial biotechnology of post petroleum epoch JIANG Min WEI Ping LU Dingqiang XU Hong ZHOU Hua OUYANG Pingkai College of Life Science and Pharmaceutical Engineering Nanjing University of Technology Nanjing 210009 Jiangsu China Abstract The post petroleum epoch is approaching as indicated by resources energy and environmental crises Bio energy bulk chemicals and biomaterials could be produced from renewable biomass by bio refineries It will integrate the sustainable industries into the global mass cycle forming a kind of new civilization including new industries and agriculture driven by solar energy Industrial bio technology is the support for bio economy Its applications will bring forth bio energy bulk chemicals and biomaterials A new creative mode should be set up with the enterprises as the core surrounded by universities and research institutes It will promote the creativities of industrial bio technology and China will be on a successful way to green modernization Key words biorefineries industrial biotechnology bioenergy bulk chemicals biomaterials 进入21世纪 现代社会的发展面临着化石资 源短缺与环境污染两个严重的问题 一方面 化 石资源不可再生 其储量有限 日趋耗尽 可开 采石油储量仅可供人类使用大约 50年 天然气75 年 煤炭200 300年 1 其石油短缺和价格上涨 已经成为制约全球经济发展的因素之一 另一 方面 同时化石资源的工业化利用 造成了严重 的环境污染 引起了全球变暖 气候变迁 灾害 性气候频发等严重问题 由此所造成的全球经济 损失每年达数千亿美元之巨 严重的资源 能源与环境危机引起了全球性 关注和思考 即人类如何减少或摆脱对化石资源 的依赖 各国提出了相应的发展战略 美国总统 布什在 2006 年 1 月 31 日发表的政府国情咨文提 特约评述 收稿日期 2006 07 10 修改稿日期 2006 08 22 基金项目 国家重大基础研究项目 No 2003CB761000 国家自然科 学基金重点项目 No 20336010 No 20606017 江苏省高校自然科学 研究计划一般项目 No 05KJB180043 共同资助 第一作者简介 姜岷 1973 男 工学博士 副研究员 电话 025 83587330 E mail jiangmin 联系人 欧阳平凯 中国 工程院院士 E mail ourangpk 到 美国必须像戒毒一样戒掉 油瘾 依靠科学 技术的发展 在 2025 年之前减少由中东进口原油 量的 75 并有效地减少环境污染 建立一种不 依赖于原油的新的经济发展模式 2 瑞典 欧洲 重要的石油消费国提出了在精神上和技术上做好 充分的准备 在 2020 年之前建立一个 无油的国 家 3 有学者提出了所谓 后化石经济时代 的 概念 即随着化石资源的枯竭 人类社会不得不 进入了 后化石经济时代 最终也必然会进入 无化石经济时代 在后化石经济时代 人类必须改变目前依赖 于化石的高消耗 高污染的经济发展模式 寻求 化石资源的替代 建立低消耗 附加值高的可持 续的循环经济发展模式 已经成为全球社会经济 可持续发展的重大战略方向 在太阳能的驱动下 通过光合作用生物加工 合成了地球生态中最大量的可再生资源 生物 质 使得地球成为一个循环的可持续发展的生态 系统 全球每年光合作用产生的生物质可达 950 亿吨炭 远远高于目前世界每年化石资源消耗 65 亿吨炭 同时清除吸收了 CO2 并放出大 量氧气 这是构建地球和谐生态环境的基础 利 用生物技术 利用地球生态中以的可再生资源 生物质为原料 大规模生产人类所需要的能源 材料 化学品和医药等 将是人类新文明的物质 基础 一个全球性的产业革命正在朝着以碳水化 合物为基础的经济发展 这是可持续发展的一个 重要趋势 生物经济的崛起 将是后化石经济时 代到来的标志 工业生物技术是生物经济的支柱 故后化石经济时代工业生物技术的发展具有十分 重要的作用 以其作为自身的物质基础 将可持 续发展的工业融入地球大体系的物质循环之中 融入到扩大农业生产的生物量之中 实现在太阳 能驱动下的工业与农业 将构成人类文明的一种 新形式 生物经济 这是新文明的基础 一个 全球性的产业革命正在朝着以碳水化合物为基础 的经济发展 这是可持续发展的一个重要趋势 1 生物炼制与工业生物技术 生物经济 需要构建可再生生物质资源的利 用方式新型工业模式 即以生物炼制替代化石资 源炼制转变目前以化石资源炼制为基础的生产方 式为以生物炼制为基础的 形成新的生产方式 生物炼制是开拓创新新型技术 即采用多联产技 术 实现生物质的高效综合利用 采用多联产技 术 实现生物质的高效利用 是生产能源 材料 与化工产品的新型工业模式 工业生物技术是生 物炼制的核心技术 是人类生物技术发展史上继 医药生物技术 农业生物技术之后的第三次浪潮 其发展将解决人类社会目前面临的资源 能源与 环境等诸多重要问题 世界经合组织 OECD 指出 工业生物技术是工业可持续发展最有希望的技 术 4 工业生物技术的中心任务是利用可再生的 生物质资源为原料生产生物能源 bio energy 和 生物基产品 bio based products 它不仅仅是未 来取代石油等化石资源的主要物质生产方式 也 是真正实现循环经济 减排CO2的最重要途径 并 促进能源农业和能源林业的大规模发展 将有效 地绿化荒山荒地 大大改善生态环境 工业生物技术主要有以下三大特点三 1 工业生物技术与农业生物技术联盟 以工 业带动农业是建设新农村 形成区域性工业化的 基础 以农林生产的大量生物质生产化学品 提 供能源 材料 食品 将构成人类新文明的物质 基础 这是人类文明发展的历史回归 2 与现代工业文明充分接轨 工业生物技术 与现代工业技术组合 特别是和化学化工技术的 组合 可以迅速转化为生产力 形成化工的一 个新兴领域 生物质化工 3 工业加工方式的一场重大革命 从资源集 中的加工方式转为利用分散的生物资源 特别是 微生物其特有的生长迅速 扩散快 培养成本低 等特点 非常适应于利用分散的生物资源 在工 业生物技术中具有重要作用 2 工业生物技术的重要产品工程 工业生物技术的产品工程是生物经济的具体 体现 是工业生物技术的具体实际应用 工业生 物技术的应用将形成两类重要的产品工程 一类 是利用生物能源技术生产生物能源的产品工程 另一类是利用生物炼制技术生产大宗化学品与生 物材料的产品工程 2 1 生物能源产品工程 清洁可再生生物能源的开发和利用是公众关 注的热点之一 其中 生物质能具有资源量大 相对集中 能量品位较高的特点 当前正是大力 发展生物质能的关键时期 生物能源的主要形式 有生物质制氢 燃料乙醇 生物柴油 沼气等 1121 6 氢气不仅是最清洁的能源 同时可利用氢气 进行重油与煤加氢制得油品 而且其在燃料电池 上也具有重要用途 目前国内氢气需求量巨大 约为 8 50 Mt a 生物质气化通过热化学方式将生 物质转化为高品位的气体燃气或合成气 其中氢 气含量最高可达 70 然后通过变压吸附分离纯 化 得到高纯度氢气 1 kg 生物质理论上可产生 165 g 氢气 5 与电解水 光电子转化制氢等技术 相比 生物质气化制氢是生产可再生氢气最快 最经济的方法 生物质气化是所有生物质热化学 加工中开发最早 最接近生产规模的技术 可替 代煤碳煤炭气化制氢 目前生物质气化制氢的重 要研究方向为高效催化剂的设计与制备 无焦油 气化工艺 氢气分离膜 新型高效氢气分离纯化 方法 氢气储存与加注站系统 高性能氢燃料电 池等 以绿藻等生物制氢的研究也是目前研究的 热点 特别适合于高湿的生物质原料 主要研究 方向为微生物代谢调控与产氢机制 燃料乙醇是目前应用最广泛的 比较理想的 替代汽油的生物燃料 已在一些国家和地区得到 广泛使用 巴西以甘蔗作为原料 每年生产 125 亿升燃料乙醇 美国每年生产超过 50 亿升的燃 料乙醇 6 目前我国乙醇年产量列世界第三 发酵 法乙醇占绝对优势 80 左右的乙醇用淀粉质原 料 10 的乙醇用废糖蜜生产 以纤维素原料生产 的乙醇约占2 左右 7 中国发展燃料乙醇不应采 用粮食转化的路线 需要发展木质纤维素生产乙 醇的综合利用技术 需要大力发展高效产糖的能 源植物 如新品种甜高粱和甘蔗等 目前燃料乙醇的重要研究方向为 开发利用 纤维素 菊芋 木薯 玉米等多种原料生产乙醇 工艺 重点开发秸秆或木质纤维类生物质替代粮 食资源生产燃料乙醇的工艺 开展农作物秸秆预 处理技术 纤维水解酶的固态发酵技术 同步水 解发酵法技术 半纤维混合糖液的分离和综合利 用技术等 生物柴油是脂肪酸与低碳醇在催化剂的存在 下 发生酯化反应 形成脂肪酸甲酯或乙酯 可 代替柴油燃烧 生物柴油环境友好 无需对现有 柴油发动机进行任何改造即可使用 且对发动机 有保护作用 目前世界上生物柴油产业发展迅速 美国 加拿大 巴西 日本 澳大利亚 印度等 国都在积极发展这项产业 欧盟国家主要以油菜 为原料 2001 年生物柴油产量已超过1 00 Mt 1 立足于本国原料大规模生产替代液体燃料 生 物柴油 对增强我国石油安全具有重要的战略意 义 生物柴油的生产方法主要有酸催化 碱催化 酶催化和超临界甲酯化等工艺 碱催化工艺为最 广泛使用的生产方法 一般情况下 原料成本占 生物柴油总成本的80 90 而加工成本大约 为10 20 目前 生物柴油的重要研究方向为研发适应 不同原料特点的低成本生物柴油生产工艺 使得 生物柴油生产成本可以与石化柴油相竞争 生物 柴油的众多生产方法中一个值得关注的问题是如 何利用以低值废弃植物油脚为原料 通过甲醇酯 化生物炼制生产生物柴油工艺同时联产高附加值 植物甾醇 单体酸 二聚酸及异硬脂酸等油脂化 工产品 通过通过对植物油脚料的炼制过程生 产生物柴油联产多种高值油脂化工产品 可以大 大降低生物柴油的生产成本 提高生物柴油的竞 争力 可加速实现生物柴油的产业化进程 沼气是有机物质在厌氧条件下 经过微生物 发酵作用而生成的以甲烷为主的可燃气体 由葡 萄糖厌氧消化产甲烷的能量转换效率可高达 87 8 是其他加工技术所难以达到的 许多国 家已把沼气开发列入国家能源战略 我国是世界 上沼气利用开展得最好的国家 沼气技术相当成 熟 目前已进入商业化应用阶段 主要有农村家 用沼气池 大中型沼气工程和生活污水净化沼气 池等 沼气发酵可以综合利用有机废物和农作物 秸秆 对水资源和土壤等再生和资源化有促进作 用 近年来沼气生产和污水处理耦合的研究成为 新的研究热点 由于沼气生产和污水处理耦合 可以同时获得能源生产和环境治理 水资源再生 的双重效益 从而使新型沼气生产技术具有更加 美好的应用前景 通过种植水葫芦治理污水 同 时充分利用太阳能的光合作用吸收二氧化碳进一 步净化空气 水葫芦生长迅速 在适宜的温度下 其倍增周期为 7 天左右 其碳氮比为 25 30 是 一种理想的沼气原料 与动物排泄物混合可以进 行厌氧发酵生产沼气 这样不仅有效地治理了污 水 同时又合理地利用了水葫芦和动物排泄物 人粪尿 等 使之变废为宝 一举两得 沼气重要的研究方向有高效消化产酸菌群的 驯化与选育 高效产甲烷菌群的驯化与选育 厌 氧微生物菌群的代谢调控以及太阳能强化的高效 二级甲烷中温厌氧发酵装置的设计与制备 将生物质能发电与太阳能发电相结合 形成 新型的生物质能与太阳能联合发电系统 太阳能 与风能具有随机性及不稳定性强等缺点 必须从 科学技术层面发展利用这些不稳态资源的技术 这是对后化石经济时代工业技术的新的挑战 建立生物质气化与抛物面槽式太阳热联合发 电系统 在太阳能充足时 以太阳能发电为主 生物质气化发电为辅 在太阳能不充足时 以生 物质气化发电为主 该系统避免了单一太阳能发 电系统的发电不稳定性 减少电力储存 调峰所 需装备 具有非常良好的应用前景 目前 生物质能与太阳能联用的主要研究方 向为高效生物质气化炉设计与制造 无焦油气化 工艺及高效催化剂 微小型燃气内燃机 太阳能 真空集热管设计与制造技术 太阳能槽式发电系 统设计与优化 配电调峰系统 从而形成稳定供 电的新型高效实用的分布式能源系统 2 2 生物炼制技术生产大宗化学品与生物材料的 产品工程 与石油化学工业相对应 利用生物炼制技术 生产化学品与材料形成了一个新的化学工业模式 称之为 生物质化学工业 随着经济的发展 全球化学品与材料市场需求日益增加 而石油在 耗尽 因此生物质化工具有非常巨大且快速发展 的生长空间 与生物质能源工程不同 生物质化 工将会在原有石油化工的基础上发展 其生产技 术与现代石油化工技术的接轨 可以很快地产生 效益 并且在石油涨价过程中与原有石化路线在 竞争中发展 这将有力地促进化学工业的技术进 步与产业提升 乙烯是重要的化工生产原料 生产 1 t 乙烯需 要 3 t 石脑油 且消耗 1 t 标油 我国乙烯需求量 巨大 2005 年达到 19 Mt 预计 2010 年将达到 26 Mt 2020 年将突破 40 Mt 9 由于石油资源有限 发展利用生物质替代石油生产乙烯的方法势在必 行 生物法乙醇作为一个纯物质 熵值较低 如 果作为车用燃料或普通燃料产生能量 在经济上 不合理 将其催化脱水后可生成乙烯及其衍生物 具有广阔的应用前景 制备生物法乙烯的关键在 于新型高效催化技术与低浓度乙醇直接脱水制备 乙烯的工艺及装备 目前生物法乙烯的生产成本 与石化工艺基本持平 而能耗可降低 20 有关生物法乙烯制备的重要研究方向 耐高 浓度的高产乙醇菌种的选育技术 微生物乙醇代 谢工程技术 低成本的乙醇发酵工艺 新型高效 乙醇脱水催化剂的设计与制备 一锅法生物乙烯 制备工艺等 乳酸是一种重要的 C3化合物 1 mol 葡萄糖 经发酵可生成 2 mol 乳酸 理论上 1 t 糖可得 1 01 t 乳酸 实际转化率可以达到 90 95 由乳酸 脱水可制备丙烯酸或聚合生成聚乳酸 丙烯酸及 其衍生物 聚合物在油田化学品 涂料 黏合剂 纺织等行业中具有广泛的应用 是重要的大宗化 学品 国内需求量达 500 kt a 利用乳酸为原料 经催化脱水可制备丙烯酸 收率可达 50 60 聚乳酸是性能优异的功能纤维和热 塑性材料 可以用来做包装材料和纺织材料 估 计 2020 年全世界估计聚乳酸的需求量将达到 11 50 23 Mt 乳酸制备聚乳酸收率达 70 由 1 8 t 淀粉制备 1 t 聚乳酸已成为可能 根据美国 Cargill Dow 公司的预测 当聚乳酸的生产成本降 低到每吨 1 万元以下时 则聚乳酸材料可以和石 油基高分子材料竞争 目前 乳酸和聚乳酸的重要研究方向为高产 乳酸菌种的选育技术 微生物乳酸代谢工程技术 乳酸的高效提取技术 聚乳酸的二步法聚合工艺 及催化剂 聚乳酸一步法聚合工艺 聚乳酸材料 的改性技术等 丁二酸是一种重要的 C4化合物 其传统生产 方法采用的是从丁烷经顺丁烯二酸酐通过电解生 产 开发生物合成丁二酸的方法具有非常重要的 意义 其生产成本将大大降低 从而打开大宗化 学品的市场 市场总量将由目前的 18 kt 扩展至 4 000 kt 每年将在世界范围内节约1 034 1016 J 左 右的能量 10 利用生物法进行丁二酸的生产 还 具有一个重要特征 吸收并固定 CO2用于菌株 的代谢 通过厌氧发酵 低能耗 高收率地制备 丁二酸 这是丁二酸生产有别于传统有机酸生产 的一个重要优势 而且可将发酵生产丁二酸与另 一大宗发酵产品乙醇的生产过程进行耦合 可将 发酵生产乙醇产生的 CO2加以利用 减少温室气 体的排放 在减少碳损失的同时生产出丁二酸 乙醇与二乙基丁二酸三种产品 丁二酸衍生产品 1123 6 多 仅丁二醇 四氢呋喃 丁内酯等的国内市场 需求每年就超过 200 亿元 利用丁二醇更可进一 步制备生物可降解塑料 聚丁二酸丁二醇酯 丁二酸的重要研究方向为高产丁二酸菌种选 育技术 微生物丁二酸代谢工程技术 厌氧规模 发酵及反应器技术 丁二酸的高效提取技术 新 型反应分离耦合技术等 世界上合成高分子材料的年产量已经超过 114亿吨 主要为石油化工材料 与石油化工材料 相比 生物材料具有可再生 可生物降解 应用 前景广阔的突出优点 但实现商业化还需要在价 格上形成竞争力 目前已成功实现商业化的有 Cargill Dow 公司的聚乳酸工厂和DuPont公司由 1 3 丙二醇生产PTT 的工厂的生产技术 这两 项成果标志着用生物原料生产的生物材料已经开 始具备市场竞争优势 前者能耗降低30 50 后者降低25 采用1 3 丙二醇与对苯二甲酸 进行缩聚 制造的聚酯 PTT 纤维材料具有良 好的抗腐蚀性 又具有聚己二酰己二胺 尼龙 66 的弹性 更容易印染 被认为是一种优质的 高分子纤维材料 预计 2020年全世界PTT的需 求量可达1 Mt 聚羟基烷酸 聚谷氨酸等生物材 料也是目前被广泛关注的研究热点 3 工业生物技术的创新与发展 近年来 欧美日等发达国家均针对目前自身 面临的资源 能源与环境危机制定出在今后几十 年内大力发展工业生物技术的计划 世界正孕育 着一场用生物可再生资源代替化石资源的资源战 略大转移 工业生物技术的发展刚刚起步 21 世纪议程 京都议定书 等国际公约相继出台 在实现工业化过程中减少化石能源消费和保护环 境 这是工业生物技术产业发展的重要机遇 工 业生物技术正在迅猛发展和取得突破 已成为当 今科技发展的最重要前沿之一 是世界知识产权 争夺的战略制高点之一 中国十分重视工业生物技术的发展 国家中 长期科学与技术规划 973 计划和 863 计划都将工 业生物技术列为重点专题 工业生物技术产业发 展比较快 目前 我国的谷氨酸和柠檬酸产量为 世界第一 但是技术水平和国外还有一定差距 总体分析 我国是工业生物技术产业大国 但还 不是强国 大力发展工业生物技术对解决我国资 源和能源短缺问题十分迫切 中国的人均资源 尤其是人均化石资源很低 而且中国面临着严重的空气污染与水环境的危机 目前 我国已成为世界第一资源加工消费大国和 第二能源耗用大国 而且存在着越是经济发达的 地区资源越紧缺 环境污染越严重的窘境 然而 我国属于太阳能资源丰富的国家 每年辐射总量 在 3 3 103 8 4 106 kJ m2 陆地面积每 年接受的太阳能相当于2 4 104亿吨标准煤 11 目 前拥有16亿耕地 6亿亩南方草山草坡 按照目前 优质杂交稻的生产潜力可生产的生物质的总量近 60亿吨 利用其加工生产液体燃料 化学品 可 取代约30亿吨标煤 如果能够利用工业生物技术 实现生物质能源的高效利用 中国可以走出一条 通往绿色生态现代化之路 创新是当代科技 经济发展的基本前提 发 展工业生物技术 既要注意原始创新 也要注意 集成创新 把化工技术和生物技术集成起来 重 视学科的交叉与技术集成 产生新的工业生物技 术 同时也要注意加大国际合作 进行消化 吸 收 再创新 我国国家层面上的产学研体系还未 完全建成 产学研是目前科技创新体系中的桥梁 建立以企业为核心 高等院校 研究院所共同发 展的创新研发模式 发展产学研体系 高校要与 强势企业相结合 注重技术成熟与社会效益 优 势企业密切关注科技发展前沿动态 形成自己的 优势技术 产学研的结合要在大力发展平台技术 的基础上 注重产品示范工程建设 将实验室的 先进技术在放大过程中进行工程研究 获得中试 规模的工艺参数 为产品的产业化设计提供基础 数据 加快工业生物技术产品的产业化进程 4 结 语 中国的工业生物技术水平与国外基本处在同 一起跑线上 应利用生物经济的发展机遇 将工 业生物技术与现代工业技术组合 特别是与以化 石原料为基础的化工技术组合 优势互补 可快 速转化为生产力 提升工业竞争力 带动新一轮 的产业进步 大力促进工业生物技术创新