生物基化學品帶來的無限機遇

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

目前，有兩種生產生物基化學品的方法。*種方法是通過對高性能的天然成分進行溫和的化學改性獲得,目前許多大型生物基產品都通過這種方法生產。例如生物制藥、生物基聚合物以及從脂肪和石油中獲取產品。第二種方法是實現一體化生物煉制，需要花費更多精力，但zui終將使得石油化學工業發生革命性變化。與石油化工煉制相類似，生物煉制對生物質進行轉換，生產一系列化工原材料和能源產品。zui終目的是利用整個植物，而不是只利用其中的部分，獲取范圍廣泛的產品。

生物塑料是生物基產品中增長zui強勁的市場之一。受到各種塑料需求不斷增長的驅動，油價的不斷攀升以及對環境的擔憂，生物塑料的*增長緩慢，但肯定在擴展。

*種生物塑料是熱塑性聚合物，即聚羥基丁酸酯 （PHB），這種塑料被細菌用作能源儲存器。這種材料在上個世紀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。而是利用生物技術或化工技術從可再生原料中提取單體，為新（功能性模擬）的聚合物或傳統聚合物提供基礎。

目前，zui為常見的生物塑料是聚乳酸（PLA），工業化生產聚乳酸開始于1994年。2010年世界范圍內的生產能力每年超過22萬t，美國、荷蘭和中國都有生產廠。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廠，不少擴建或新項目正在進行中。

聚乳酸塑料是一種常規熱塑性塑料，可在現有生產線上進行加工處理。因為這種塑料可以堆肥降解，聚乳酸塑料有相當的發展潛力，可用于生產一次性包裝產品，如飲料杯和塑料食品包裝托盤等。但由于缺乏基礎降解設施，目前這些產品均被直接焚燒。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。

生物技術和化工技術工藝被綜合用于生產交酯滌綸。將糖或淀粉進行發酵生產乳酸，然后采用二聚體合成工藝在乳酸單體上進行開環聚合生產交酯。

生產生物基聚乙烯（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。從可再生物質中獲取乙烯，從生產不同塑料開始直至壽命周期終結的各種附加價值鏈方案均加以利用。

在中國，生物基乙醇技術已經非常成熟。由于中國的乙烯產量低于需求，將乙醇轉換成聚乙烯是一種比較經濟的解決方案。

與化石原料相比，生物基單體的功能（酒精和酸）可在各種塑料應用上進行探索。例如，丁二酸（琥珀酸）和多元醇（蓖麻油，1,3-丙二醇）被用于生產生物基滌綸。多元醇還可以用于生產聚氨酯，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或與植物油的環氧化反應生成。生產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品。生物潤滑劑包括所有容易進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的。根據要求，它們可以作為天然酯使用，或者經過化學變性生成合成酯。生物基潤滑劑的應用范圍涵蓋整個常規潤滑劑產品系列，包括液壓油、多功能油、發動機油和變速箱油，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，所以它對于環境非常友好。雖然這種潤滑劑仍處于研究開發階段，但是已有研究表明，生物基潤滑劑可能會用于風力發電。與礦物基產品相比，生物基潤滑劑能提供更好的潤滑性。它們以不同方式改進系統，還有良好的搬運處理特性以及過濾性能。

生物基溶劑

聯邦經濟和技術部（BMWi）進行的一項研究表明，系統與創新研究院（ISI）估計溶劑市場每年1970萬t左右。其中，市場總容量中的12.5%可以采用生物質進行生產，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，而不改變物質或溶劑本身的化學成分。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出來的。考慮到可持續發展和環境保護，預計溶劑的生產將向生物基溶劑的方向轉變。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，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有機溶劑。例如將生物基琥珀酸或糠醛（纖維行業的一種副產品）轉換成四氫呋喃（THF）。

生物基表面活性劑

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

生物基疏水基團通常是用椰子油或棕櫚油生產的。親水基團一般是用碳水化合物，例如山梨醇、蔗糖或葡萄糖生產的，動物脂肪的使用已經大幅度減少。

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

一體化的生物煉制

將生物質廣泛用于化學品生產中，一體化生物煉制具有zui廣闊的前景。德國工程師協會（VDI）的技術中心開展了一項研究，評估生物質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石油基生產技術工藝。該項研究介紹了有關26個前體（平臺化學品）生物基生產方法。有關信息表明，這些前體中已經有11個前體的生產已經使用生物基技術工藝。例如，*用生物質制造的琥珀酸和聚乳酸，這種產能在世界各地正在擴展。

活細胞中的生物變換或者采用分離酶或者其他酶系統的生物催化，在白色生物技術行業已經相當普及。微生物已經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處理等方法，從生物質中分離出來。但是，需要使用不同的方法將木質素從糖中分離出來。目前，木質纖維素生物質通過機械工藝或使用酸、苯酚衍生物或熱蒸汽的化學預處理工藝，越來越多地采用纖維素酶對之進行水解催化預處理。從木質纖維素中回收的半木質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。

生物質加工處理的技術障礙和解決方案

為了形成有競爭力和有經濟效益的工業規模生物基生產，還需要克服很多技術瓶頸。首先，生物質本身的搬運難題，搜集、運輸和加工處理的數量非常龐大。龐大的數量不是惟一挑戰，原材料的品種多樣性，也是需要解決的問題。生物質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。鑒于原材料性質的不同，需要采用不同的技術，將生物質移動到目的地。

物流運輸也是需要解決的難題。在交付與工業加工處理之間生物質原材料必須進行儲存。木屑經常會發生自燃，這種自燃主要是因為微生物在木材中的分解作用。散裝材料中的導熱差容易加速自燃過程，經常產生悶火慢燃，甚至是明火。化學氧化是整個過程中釋放熱量zui多的反應過程，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，當吸附熱被釋放時，水的吸附使溫度升高。

不僅需要謹慎處理干燥的生物質。為了避免液體糞便溢出或逃逸進入水系統，甚至進入地下水，必須建設和完善相關的水管理條例規定。

在進行生物質轉換之后，產品一般都會高度稀釋，經常呈現出復雜的混合物形態，含有非常類似的成分。產品中還含有各種殘留物和廢棄物。在發酵、細胞培養和植物提取過程中經常會出現這樣的情況。

滿足化學標準的產品凈化和能夠應用于下游生產是生物質產品遇到的其他挑戰。生產過程中一般都涉及大量水溶液，產品必須從微生物中分離出來。從發酵液中提取產品的分離費用經常可能占生產成本的80%，產品的提純分離費用成為生物技術生產中的一個重大成本因素。另外技術工藝障礙還包括開發新的催化劑和生物催化劑。

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

從實驗室規模擴大也可能引發問題。生物基加工處理需要與常規化學工藝技術相結合。特別是在開發的早期階段，混合化學生產是很重要的。美國和中國正在大力開展聚丁二酸丁二醇酯的生產工藝研究，工藝綜合了生物發酵和化學加氫技術。