1、第九章 化工新技术与展望 第一节 生物化工技术 1.1 概述 近年来，石油天然气等价格飞涨，下游企业面临严峻的运行危机。解决危机的主要途径之一就是转向以生物可再生资源为原料，反应条件温和、能耗低、选择性好、过程高效、可持续发展的新领域 生物化工。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。它作为生物化学、微生物学及化学工程之间的边缘学科，是生物技术中将近代生物学的成就转变成生产力所必不可少的重要组成部 分。 1.1.1 生物化工的定义及特点 生物化工是化学工程与技术一级学科中包括的主要二级学
2、科之一，是生物工程领域的重要组成部分，是运用化学工程科学的原理和方法，对生物技术实验成果加以开发和工程化的一门学科，广泛服务于 化学工业、 制药工业、食品工业、农药工业、环境生态保护等领域，对国民经济的发展具有重要意义，有很强潜在的经济效益和社会效益。 生物化工具有以下特点： (1)原料可再生性：采用生物技术生产化学品一般都以光合作用产物及其加工品等可再生资源为原料，来源丰富，价格较低，如淀粉、糖蜜、农作物的 秸杆等，在生产过 程中产生的废料危害性较小，有利于经济的可持续发展，促进农业产业化发展。但原料成分常难以控制，给生产过程和产品质量控制带来一定困难和影响。 (2)生产过程温和：在菌种的催
3、化作用下，生产过程一般都在常温常压下进行，区别于许多化学反应需在高温、高压、强酸、强碱等剧烈条件下进行，因而安全性极高。但酶催化剂易于失活，易受环境的影响和杂菌的污 染 一般不能长时间使用，常以分批操作生产为主。 (3)反应专一性：由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。 (4)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。 1.1.2 生物化工技术发展 概况 生物化工发展至今经历了一个多世纪。它的发展大致概括为 3个时期：从 19世纪 80年代起到 20世纪 30
4、年代末，不少发酵产品，如乳酸、面包酵母、乙醇、柠檬酸等相继投入生产，这是属于第一代生物化工产品。这一时期的特点是工业生产是实验室规模的简单放大，人们着重于工艺的研究，而未形成严格的工程学科。第二代的生物化工产品从 20世纪 40年代随着抗生素工业的兴起而出现的。在这一时期，在具有通气 搅拌装置的发酵罐中大量培养青霉素产生菌的方法出现了，代替了原来用上千个瓶子进行表面培养的产生方法。这一时期，化工工程师成功地解决了好气性微生物的大规模培养中的氧供应、培养基和空气的灭菌以及产品提取中的关键技术和设备问题，并从中建立了发酵过程中的搅拌通气、培养基和空气灭菌等单元操作，为生物化学工程的建立奠定了初步的
5、理论基础。从 20世纪 70年代末起，随着现代生物技术的兴起，生物化工又为利用重组微生物、动植物细胞大规模培养以生产药用多肽及蛋白质、疫苗、单克隆抗体等服务，从而出现了第三代生物化工产品。如用 DNA重组 体菌种生产的胰岛素、干扰素等。这些产品及其生产过程特点，进一步要求生物化学工程开拓新的生物反应器以及新的单元操作。 1.2 生物化工技术应用 领域 1.2.1 生物农药 生物农药是指以生物活体如细菌、真菌、病毒等微生物或其代谢产物为原料而制成的，或者是通过转基因、仿生合成具有特异作用的，用来防治农业病虫草鼠害和卫生害虫等有害生物的生物活体及其生理活性物质，并可以制成商品上市流通的生物源制剂，
6、包括细菌、病毒、真菌、线虫、植物生长调节剂和抗病虫草害的转基因植物等。生物农药具有化学农药所不具备的杀虫效率高、不产生公 害、对人体和家畜都没有副作用、环境兼容性好的优点，将逐步取代化学农药，广泛应用于农作物防病、治虫 、除草等方面，具有广阔的发展前景。 生物农药具有高效、广谱、不易产生抗药性、对人畜安全、不污染环境等特点，而且原料易获得，生产成本低。生物农药与化学农药相比，其有效成分来源、工业化生产途径、产品的杀虫防病机理和作用方式等诸多方面，有着许多本质的区别，是当前农作物病虫害防治中具有广阔发展前景的一种农药。生物农药主要具有以下几方面的优点： 选择性强，对人畜安全。 生态环境影响小。
7、可以防止害虫流行病。 可利用农副产品生产加工。 我国生物农药的研究起始于 20世纪 50年代初，至今已有 50多年的历史。回顾生物农药的发展历程可分为三个阶段： 从 20世纪 50年代初到 70年代末，仿制国外成果或直接引进 ，成功开发了 Bt杀虫剂、井冈霉素、公主岭霉素、多效霉素 等生物农药，开辟了农用抗生素生物农药的第一个里程碑。 从 1980年初国家恢复农药登记管理制度， 对生物农药进行了重新登记注册，正式登记了生物农药品种有 9个，到 1995年底又临时登记了 10个品种，规范了生物农药的生产、布点和应用。生物农药发展进入一个相对规范、平稳的发展阶段，成为无公害农药制剂中的一支生力军。
8、 从 1996年至 2006年，生物农药进入了快速、健康的发展阶段。 1994年我国将生物农药研制和环境保护列入中国 21世纪议程白皮书，农业部专门成立了中国绿色食品发展中心，从政府角度规范绿色农业的发展，同时制定了 AA级绿色食品生产中应用生物农药防治病虫草害的标准，促进了 生物农药的发展。同时科技部将生物农药列入国家“九五”攻关课题和 863计划中，并提出了产业化的要求，进一步加快了生物农药商品化的步伐。到目前已形成 40余家研究机构、 600余人的专业研发队伍和约 200家的生产企业，少数品种已大批量出口到东南亚和美国。迎来了生物农药发展的第二个春天，同时为我国绿色食品和无公害食品的生产
9、做出了重要贡献。 1.2.2 生物柴油 柴油分子是由 15 个左右的碳链组成的 。 研究发现，植物油分子则一般由 14-18 个碳链组成，与柴油分子中的碳链数相近。因此，生物柴油就是一种用油菜籽等可再生植物油加 工制取的新型燃料。按化学成分分析，生物柴油燃料是一种高脂酸甲烷 ， 它是通过以不饱和油酸 C18 为主要成分的甘油脂分解而获得的。与常规柴油相比，生物柴油具有下述无法比拟的性能。一是点火性能佳。生物柴油的关键指标十六烷值较高，大于 45(石化柴油为 45)，抗爆性能优于石化柴油，从而使催化剂和发动机机油的使用寿命加长 ； 二是燃烧更充分。生物柴油含氧量高于石化柴油，可达 11，在燃烧过
10、程中所需的氧气量较石化柴油少，燃烧残留物呈微酸性 ； 三是适用性广。生物柴油除了可作为公交车、卡车等柴油机的替代燃料外，还可作为海洋运输、水域动 力设备、地质矿业设备、燃料发电厂等非道路用柴油机的替代燃料 ； 四是保护动力。生物柴油较柴油的运动粘度稍高在不影响燃油雾化的情况下 ， 更容易在汽缸内壁形成一层油膜，从而提高运动机件的润滑性，降低机件磨损 ； 五是通用性好。使用生物柴油时无须改动柴油机，可直接添加使用 ， 无需另添设加油及储运设备 ， 无需人员的特殊技术训练 ； 六是安全可靠。生物柴油的闪点较石化柴油高 ， 有利于安全储运和使用 ； 七是节能降耗。生物柴油其本身即为燃料 ， 以一定比
11、例与石化柴油混合使用可以降低油耗、提高动力性 ； 八是气候适应性好。生物柴油由于不含石蜡，低温流 动性佳，适用区域广泛 ； 九是功用多。生物柴油不仅可做燃油又可作为添加剂促进燃烧效果，从而具有双重功能。 从发展历程来看，生物柴油的生产方法主要有直接混合法、微乳化法、热解法、酯交换法和加氢裂化法，工艺对比如表 9.1 所示。 表 9.1 生物柴油制备方法比较 工 艺 主要生产过程 优 点 缺 点 直接混合法 降植物油与矿物柴油或醇类相混合 降低植物油密度和黏度， 工艺简单 燃油雾化性能差，燃烧不充分，长期使用对发动机损害大 微乳化法 用乳化剂将植物油分散到黏度较低的甲醇、乙醇等溶剂中 稀释植物油
12、，降低黏度，工艺简单 受环境限制，性质不稳定，难以推广使用 热解法 高温，催化剂下把植物油长链分子断裂成短链碳氢化合物 产品性质与普通柴油相接近 产品稳定性差，工艺复杂，成本较高，商业化应用困难 酯交换法 低碳醇与动植物油脂发生酯交换反应得到产品基本符合 0#柴油标准 产品低温性能差，碘值高，烟气中 NOx含脂肪酸甲酯 量较高 加氢裂化法 采用常规炼厂加氢处理催化剂和氢气 原料范围宽（含FFA），可降低 NOx排放 不联产丙三醇，加工费用高 由表 9.1 可以看出，各种方法在降低植物油黏度、提高挥发度、改善低温性能 等方面有共同特点，可以使植物油作为柴油发动机燃料使用。但不同制备方法各存在不足
13、之处，如直接混合法和微乳液法只是简单地通过与其他原料混合来降低黏度，产品性质不稳定，长期使用会对发动机产生很大损害；高温裂解法和加氢裂化法是通过化学法改变分子结构，它们虽然从根本上解决了生物柴油黏度大、挥发性低的问题，但高温裂解法得到的产品质量较差，加氢裂化法成本较高。比较而言，只有酯交换法不但能从根本上改变分子结构，而且其工艺简单，设备投资小，适合大规模生产，故被普遍应用，并成为目前研究的重点。 我国的生物技术在 20 世纪 70 年代 中期开始起步，国内许多研究单位相继开展了基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程的研究，为我国生物技术的发展奠定了基础。可持续发展、安全、环保深入人心，生物燃料
14、已成为不可阻挡的发展趋势。乙醇汽油、生物柴油的消费受到各国政府激励政策的鼓励，一股“绿色燃料”之风在全球化工业越刮越烈。近年来，由于生物燃料生产规模扩大，成本下降，生物燃料市场竞争力增强，生物柴油和乙醇汽油的消费量都在逐步加大。 从消费情况来看， 2005 年德国占全球消费量的 61，其他消费国家主要包括法国、美国、意大利和巴西，其消费总和只占到全球消费量的 11。 2005 年西欧生物柴油产量占全球总产量的 75 ， 2010 年将降至低于 40，主要原因是以亚洲为首的其他地区产量增速加快，亚洲将可能成为第二大生物柴油生产地区，其次是北美地区。 2005 年 2010 年全球生物柴油生产模式
15、也将发生变化。 2010 年，美国可能成为全球最大的生物柴油市场，占全球消费量的 18，新的大型消费市场将出现在中国和印度其他国家的消费总和将占到全球消费量的 44。 随着生物柴油产业的发展，其工艺技术也在不断改进，目前生物柴油生产工艺的发展方向是：生产装置大型化，生产工艺连续化、自动化、 数字化和规模化，产品及废液处理绿色化。酯交换法生产生物柴油在国内外已实现工业化，并有大量专利覆盖。但一些新工艺仍处于研究探索中，以下几方面的问题将是今后研究的重点： (1)生产过程中废酸、废碱的经济回收方法，降低生物柴油燃烧尾气中 NOx 的排放量，进一步提高生物柴油生产及使用的环保性能。 (2)寻找有效的
16、方法降低生物柴油的黏度和酸值，改善生物柴油的低温性能，进一步提高生物柴油质量。 (3)利用生物柴油良好的润滑性、环保性和安全性等特点，开发高品质的车用柴油。 (4)开展利用生物柴油和副产物甘油生产高附 加值产品的研究，寻找生物柴油和甘油利用新途径，如利用生物柴油中不饱和脂肪酸酯生产二聚体甲酯；生物柴油多产烯烃技术；生产表面活性剂；脂肪酸甲酯代替脂肪酸；色拉级豆油用于醇酸树酯生产应用。 1.2.3 生物 乙醇 所谓生物乙醇指的是通过微生物发酵途径，以各种不同的生物质 (主要是含糖类 )为原料发酵生产乙醇 (酒精 )，尽管有其传统的生产优势，现代生物技术微生物技术的应用则有全新的内含生产菌种的选育
17、，经过改造或重组建构，或酶活力提高以及各生产工艺改造等等。为扩大乙醇生产。提高其效率和产率是整个乙醇生产的基础和重要环节。 尽管 生物 乙醇的使用有一定局限性，但国外应用的实践证明，多途径发展生物乙醇也显示其生命力。在发展生物乙醇过程中必须扬其优，克其弊，以利燃料乙醇的发展。 乙醇产品不仅作为洁净能源，配制混合燃料使用，作为一种替代能源显现其特点：洁净、环保、再生能源，而且作为传统化学产品应用广泛，用乙醇生产乙烯，还可替代有致癌作用的 MTBE (用于石油的增氧剂 )等等。因此，可以说，生物乙醇是支撑“后石油时代”的石化工业的一个新兴基础产业，大有发展之势。以各国对燃料乙醇的研发与应用所取得的
18、成就以证实。 展望未来 10 20 年，燃料 乙醇以其洁净、无污染 、可以再生的特点，不仅用于混合燃料，而且它将拥有新型燃料电池 30 40的市场份额，容量将是车用燃料的 5 倍以上。我国清华大学汽车工程系研发的生物乙醇柴油系统示范车是另一实例；其次，乙醇作为 MTBE 的替代品充满着巨大商机。在美国， MTBE 已被禁用，以乙醇取而代之，作为增氧剂之一，也是可行的。第三，以甜高梁 (抗旱能源作物之一 )的汁液和籽粒为原料发酵生产乙醇，即用生产菌种经重离子辐射选育的菌种直接发酵生产乙醇优于粮食作物 (玉米 )，缩短了发酵时间，在我国甘肃省作为定点生产甜高梁燃料乙醇 的一个省，建立年产 10 万
19、吨燃料乙醇的工厂。第四，如何利用作物秸秆作为原料通过发酵途径生产乙醇，仍然是一个需要继续探究的重大课题。可从几方面思考： (1)原料成分作为基质发酵生产乙醇的最适化； (2)选育高效优质生产菌株，现代生物技术应用改造或建构生产菌株是条重要途径； (3)有针对性改进生产菌株产乙醇所必需条件的最适化； (4)多途径开发作物秸秆资源， 即 获所需产品如甲烷等，又有益于环保。 1.2.4 生物化工的其他应用 (1)医药：抗生素，如青霉素，四环素、各种生长因子和疫苗等。生物药品的最大特点是毒副作用小，对人 体安全，符合当今人们崇尚自然的心理。 (2)酶制剂：酶是由细胞产生的蛋白质性质的生物催化剂，具有专
20、一 性 和高效性，已被大量用于发酵、食品、医药、化工等部门。目前工业化生产的酶制剂有蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶等产品。 (3)有机酸：采用生物化工技术生产的有机酸主要有柠檬酸、乳酸、衣康酸等产品，其中柠檬酸产量最大，产品广泛应用于食品、医药、轻工等部门。 (4)生物农药：农药工业的重要组成部分，主要产品有苏云金杆菌、井岗霉素、赤霉素、阿威菌素等。 (5)有机原料：全球乙醇的生产仍以发酵方法为主，特别是在美国、巴西及农 产品比较丰富的我国，发酵酒精占总能力的 85以上。与石油化工路线相比较，生物发酵工艺生产的乙醇具有较强的竞争力，特别是以可再生的农副产品为原料，不存在资源枯竭的问题，是缓解石油供应
21、紧张的办法之一。 (6)其它：黄原胶、结冷胶、微生物多糖等产品也具有市场前景。 1.3 生物化工技术发展趋势 目前全球生物化工产业以 18的年增长速度迅猛发展，未来在化工领域中 20 30 的化学工艺过程将会被生物过程所取代。今后 10年生物化工研发主要涉及生物高技术医药产品、资源和能源产品、环境保护等。概括为以下方面： (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)开发生物固氮领域，研制高效优质生物固氮菌剂，并探究粮食作物自主固氮功能，为减轻化学
22、肥料，为农业绿色革命做出贡献。同时探索高等动物及人体肠道内固氮菌及其功能，为人类人工制造 “ 食用固氮菌剂 ” 保健品寄予期望。 (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工业化生产水平， 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，才有可能与化学塑料显示竞争力。 (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，对此微生物技术及发酵工程应用是大有可为的。 (7)提高氨
23、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要。 (8)生物农药研发，使微生物杀虫剂、微生物肥料在农业、林业以及畜牧业等方面得到了广泛利用。 (9)发展 有绿色能源之称的生物能源，一是气态生物如沼气、氢气等，研制新型燃料电池，有广泛的应用潜力； 一是液态生物 如乙醇等，利用农业废弃物生产乙醇既可开发无污染的新能源又可保护生态环境。 (10)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。 (11)发展再生资源，纤维素等工程，开拓新原料源，如细菌合成纤维素就是其中一例。特别是那些废弃的有机物 (垃圾 )等
24、通过现代微生物技术手段获取更多的化工产品，实现废物资源化。其次，这一生物整治技术的应用还可以实现废 物无害化、减量化、能源化，最终可达到环保产业化的目的。 (12)发展 “ 生物反应器 ” 技术，这是大量获取生物化工产品的一个重要环节，生物反应器的 “ 三化 ” 即大型化、多样化和自动化更有利于工业化生产，还必须提高分离和提纯技术水平。 现代生物技术的发展，已使生物化工成为 21世纪化学工业最富有生命力的产业。生物化工对于促进化学工业技术进步和产业结构调整、促进绿色化学工业发展起着至关重要的作用。美国某权威生物进展杂志预测， “ 生物技术是振兴化工的一个重要方面 ” ， “ 生物原料体系和 C
25、1化学体系将成为重要的原料来源 ” ， “ 2010年化学工业至少有 10的化学合成将由高效的绿色生物化工技术取代 ” ， “ 微生物技术同现代化学工业结合，将有可能形成一股导致化学工业结构调整的力量 ” 。 第二节 绿色化工 2.1 概述 随着对环境污染认识的深入及知识水平的提高，人们提出了绿色化学 (Green Chemistry)的概念，并将其作为防止环境污染的根本途径。绿色化学的研究内容为：寻找一个基本的方法来改变某一产品或过程的内在本质，以降低或消除其对人类健康及环境的影响。因此，绿色化学是开发从源头解决污染的一门科学，对环境保护及社会的可持续发展具有极其重要的意义 。 2.1.1
26、绿色化学 与化工 的定义 及特点 绿色化学又称为环境无害化学 (Environmental Benign Chemistry)，是利用化学来防止污染的一门科学。其研究目的是：通过利用一系列的原理与方法来降低或除去化学产品设计、制造与应用中有害物质的使用与产生，使化学产品或过程的设计更加环保化。绿色化学包括所有可以降低对人类健康与环境产生负面影响的化学方法和技术，在此基础上产生的环境无害化工过程，被称为绿色化工 (Green Chemical Engineering)。 绿色化学与化工是解决全球污染问 题的一种方法。与传统的污染处理不同，绿色化学与化工通过改变化学产品的结构与性质或产生工艺过程，
27、来减少或消除有害物质的产生与使用。这种方法是非常科学的，因为物质的化学结构同其毒性具有内在的联系，由于这个联系，绿色化学家可以设计或重新设计化学物质的分子结构，使其具备所需的特性又避免或减少有毒基团的产生与使用。同时，绿色化学追求高选择性化学反应，副产品极少，甚至达到原子经济性 （ Atom Economy，即 100的原子利用率 ） ，实现零排放 (Zero Emission)。因此，绿色化学与化工不仅可以防止环境污染，亦 可提高资源与能源的利用率，提高化工过程的经济效益，对化工过程的可持续发展具有巨大的推动作用。 2.1.2 绿色化学的产生与发展 传统上，化学家在开发化学物质的合成方法时主
28、要考虑效率，因为效率不仅反应一个合成方法的质量，也是实际应用及经济方面的首要考虑因素。于是经济考虑在开发与设计合成方法中曾一度起主要的作用。另外，合成化学家由于处于一个化工过程的始端，在开发与设计如何合成所需化学产品的方法时，往往忽略处于过程末端的废物处理问题。因此，许多已存在的化工过程，虽然具有满意的经济效益，却对人类健康及环境造成了极大的 负面影响 （见图 9.1） ，有的甚至到了必须被关闭的程度。化学工作者对环境保护负有很大的责任。同时，人们应认识到，处于 “上游 ”的合成化学家对处于 “末端 ”的污染问题起到的主导作用。 天然矿物资源煤、油、天然气( 化学计量反应)( 催化工艺)气体污
29、染物化工产品污水残渣 图 9.1 污染生产 因此，目前一个化工过程不仅仅 要考虑 原料及设备消耗，还应 考虑 后续的废物处理，而后者往往可以使整个 化工 过程 的污染问题得到大大解决，充分利用了原料（见图 9.2） 。因此 ， 绿色化学与化工不仅可以直接减轻化工过程对人类健康与环境的负面影响，还有利于降低化工过程的整体成本，是推动化工过程可持续发展的唯一途径。 天然矿物资源煤、油、天然气( 高效催化剂)目标产物( 化工产品)废弃物循环零排放E - 因子原子利用率E - 因子 = 原子利用率 =副产物量目标产物所有产物分子量目标产物分子量（选择性）；图 9.2 环境友好型生产 2.1.3 绿色化
30、学的目标和任务 绿色化学与化工的研究目标为：利用可持续的方法来降低维持人类生活水平及科技进步所需化学产品与过程所使用与产生的有害物质。一种物质的危险性 (Risk)是其本身固有的危害性 (Hazard)与其可同环境接触的暴露性 (Exposure)的函数，可以简单地表示为二者的乘积： 危险性 = 危害性 暴露性 = H E 传统上，人们通过环保条例与法规来控制有害物质的暴露性以降低危险性。如制定标准来控制某一化学物质在水中的安全浓度，为操作人员采取保护措施等。目前，已开发 出许多方法与技术来控制有害化学物质对人类及环境的暴露。但暴露控制不仅耗费了大量的资金，而且这种控制有失败的可能，对人类健康
31、与环境具有较大的潜在危险。因此不是一个理想的危害防止与处理方法。 与以上传统方法所不同的是，绿色化学与化工是通过降低有害物质内在的危害性来减小危险性。因此，不仅可以避免有害物质的暴露，还可以预防由于意外事故而造成的环境 污 染，是从源头防止环境污染的科学方法。 2.2 绿色化工的应用 绿色化工生产不采用有毒、有害的原料、催化剂和溶剂，生产环境友好的产品，并使原料尽可能都转移到产品中。绿色化学又 称环境友好化学，在其基础上发展的化工技术和化工生产实践，即绿色化工 ， 其应用主要从以下几个方面进行介绍。 2.2.1 原料绿色化 150 年前 ,大多数工业有机化学物品都是来自植物提供的生物质 (Bi
32、omass)，少数来自动物物质，后来煤被用作化学原料。 20 世纪 40 年代以后，石油又逐渐成为主要的化学原料。今天 95%以上的有机化学品来自石油，随着人类逐渐认识到煤和石油化学工业对环境的负面影响，科学家已经开始考虑如何重新利用生物质代替煤和石油来生产人类所需要的化学物质。 利用生物质代替广泛使用的石油，是保护环境的一个长 远发展方向， 1996 年美国“总统绿色化学挑战奖”的学术奖授予 M.Holtzapple 教授，就是由于其开发了一套用石灰处理和细菌发酵技术，把废生物质转化为动物饲料、工业化学品和燃料。 生物质主要是由淀粉及纤维素组成，前者易于转化为葡萄糖，而后者则由于结晶及与木质
33、共生等原因，通过纤维酶转化为葡萄糖，难度较大。 Draths 等报 道 以葡萄糖为原料，通过酶反应可制得 己 二酸、邻苯二酚等，尤其是不需要从传统的开始来制造作为尼龙原料的 己二酸取得了显著进展。由于苯是已知的致癌物质 ,以经济和技术上可行的方式，从合成大量的有 机原料中去除苯是具有竞争力的绿色化学目标。 另外， Gross 首创了利用生物质或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。由于其同时解决了多个环保问题，因此，引起了人们的特别兴趣，其优越性在于聚合物原料单体实现了无害化；生物催化转化方法优于常规的聚合方法 Gross 的聚合物还具有生物降解功能。 2.2.2 原子经济性 绿色化学的核心是
34、利用化学原理从源头上消除化工过程对环境的污染，其理想是采用 “原子经济”反应，即原料中的 每一原子都转化成产品，不产生任何废物和副产品，实现废物的零排放。 但目前还不可能将所有的化学反应的原 子经济性都提高到 100%。因此，不断寻求新的反应途径或不断提高现有化学反应过程的选择性，以提高合成反应的原子利用率，仍然是十分重要的目标。国家重点实验室致力于从新合成原料、新催化材料，到新合成加工途径、新反应器设计等化学工程的研究以及各学科交叉结合，提高反应选择性，以上始终是重要的研究方向。 2.2.3 催化剂绿色化 绿色化学和化工将给化学工业和环境工程带来革命性变化，要实现环境友好的绿色化工，研究开发
35、新的催化剂及催化方法成为当前关注的重要课题。在现代化工生产中 ,绝大多数化学反应都必须有催化剂的参与 ， 因此 ,必 须使催化剂绿色化 ,传统的催化剂应进行以下几个方面的改进 : (1)催化反应选择性进一步提高 ,其目标是达到“原子经济性”； (2)既要与反应体系有良好的相溶性 ,又容易从反应体系中分离出来 ,以实现催化剂的循环使用； (3)催化剂本身对设备无腐蚀性 ,不对环境产生污染。 绿色化工催化剂主要包括仿酶催化剂、固体酸催化剂、固体碱催化剂、金属催化剂等，这些催化剂不仅具有较高活性和选择性，而且催化剂和反应体系易于分离，新型绿色化工催化已成为实现化学工业从低污染向阻止污染方向转变的关键
36、。目前 ,围绕催化剂的绿色化展开的研究中仿酶 催化剂、固体酸催化剂等是值得注意的。 酶催化反应具有高效性、专一性及条件温和的特点 ,是较理想的绿色催化剂 ,但天然酶来源有限、难以纯制 ,对环境敏感、易变性失活 ,开发与酶具有相似功能甚至更优越的人工酶已成为绿色化学研究的重要课题之一。 酸催化反应是化学工业中重要的生产工艺 ,目前普遍使用的氢氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂 ,它们的共同特点是 ,对设备的腐蚀严重 ,对人体危害和生产废渣 ,污染环境 ,而固体酸催化剂如分子筛、杂多酸、固体超强酸则可以最大限度减少环境的污染。 虽然绿色化工催化剂理论发展逐渐得到完善，但大多数 催化剂仍停留在实验阶段 ，催化剂性能不稳定，制备过程复杂，性价比低是制约其工业化应用的主要原因，但从长远角度考虑，采用绿色化工催化剂是实现生产零污染的一个必然趋势，也是当前催化领域研究的重点。绿色化工催化剂的深入研究，必将促进催化科学的发展，具有重要的社会效益和环保效益。 2.2.4 化工过程绿色化 化工过程绿色化是指： 在化学反应过程中尽可能采取无毒无害的原料、催化剂和溶剂； 设计、生产的产品在其加工、应用及生命周期内各个阶段均不会对人类健康和生态环境产生危害； 化工过程强化 ，即 在生产和加工过程中运用新技术 和新设备，极大地减小设备体
