后化石经济时代工业生物技术发展的若干思考-化工进展

2006年第25卷第10期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·1119·化工进展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：Q81；TK6文献标识码：A文章编号：1000–6616（2006）10–1119–05Considerationsonthedevelopmentofindustrialbiotechnologyofpost-petroleumepochJIANGMin，WEIPing，LUDingqiang，XUHong，ZHOUHua，OUYANGPingkai（CollegeofLifeScienceandPharmaceuticalEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing210009，Jiangsu，China）Abstract：Thepost-petroleumepochisapproachingasindicatedbyresources，energyandenvironmentalcrises.Bio-energy，bulkchemicalsandbiomaterialscouldbeproducedfromrenewablebiomassbybio-refineries.Itwillintegratethesustainableindustriesintotheglobalmasscycle，formingakindofnewcivilizationincludingnewindustriesandagriculturedrivenbysolarenergy.Industrialbio-technologyisthesupportforbio-economy.Itsapplicationswillbringforthbio-energy，bulkchemicalsandbiomaterials.Anewcreativemodeshouldbesetupwiththeenterprisesasthecoresurroundedbyuniversitiesandresearchinstitutes.Itwillpromotethecreativitiesofindustrialbio-technology，andChinawillbeonasuccessfulwaytogreenmodernization.Keywords：biorefineries；industrialbiotechnology；bioenergy；bulkchemicals；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]。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，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。美国总统布什在2006年1月31日发表的政府国情咨文提到：美国必须像戒毒一样戒掉“油瘾”，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[phone]；E–[e-mail]。联系人欧阳平凯，中国工程院院士。E–[e-mail]。化工进展2006年第25卷·1120·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，通过光合作用生物合成了地球生态中最大量的可再生资源——生物质。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，以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。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新型工业模式，即以生物炼制替代化石资源炼制，形成新的生产方式。生物炼制是开拓创新型技术，即采用多联产技术，实现生物质的高效综合利用，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-basedproducts）。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。(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。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具有重要用途。目前国内氢气需求量巨大，约为8.50Mt/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。1kg生物质理论上可产生165g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、新型高效氢气第10期姜岷等：后化石经济时代工业生物技术发展的若干思考·1121·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1.00Mt[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，通过生物炼制生产生物柴油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。通过植物油脚料炼制生产生物柴油联产高值油脂化工产品，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