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生物炼制的无限可能
生物炼制的无限可能
www.dicp.ac.cn    发布时间:2014-07-03 14:56    栏目类别:科研进展、科研方向类

      我们并不生产水,我们只是大自然的搬运工!这句耳熟能详的农夫山泉广告词告诉我们大自然给予我们丰富的馈赠,可再生的生物质即是大自然给予的馈赠之一。在这个万物复苏的春天,一切都是欣欣然的样子,绿色的生命都在不安的窜动。你不会想到生命是如此的神奇,而利用这些大气、水、土地等通过光合作用而产生的可以生长的各种生命有机体即生物质催化转化制备能源燃料和生物产品又是具有怎样的无限可能性。

      美国国家可再生能源实验室(NREL)将以生物质为原料,将生物质转化工艺和设备相结合,用来生产燃料、电热能和化学产品集成的装置定义为生物炼制。如下图所示可持续的生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料,生产各种化学品、燃料和生物质基材料这一系列的生物质转化过程。(下图为可持续的生物炼制流程)

      广义上生物质包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。狭义的生物质就是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素(简称木质素)、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质的一个主要用途就是作为能源资源,在中国古代文明中,从简单的直接燃烧到发酵制备乙醇和沼气,生物质能一直是人类赖以生存的重要能源,而目前在世界能耗中,它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源,在整个能源系统中占有重要地位,约占9%,有关专家估计,生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分,到下世纪中叶,采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。生物质能具有燃烧容易,污染少,灰分较低的优点,但直接燃烧生物质的热效率仅为10%一30%。因而,生物质能技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一,受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划,如美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家,实施了世界上规模最大的乙醇开发计划,目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费量的50%以上。美国开发出利用纤维素废料生产酒精的技术,建立了 l MW的稻壳发电示范工程,年产酒精2500吨。
(下图为美国能源报告中2011能源消耗结构分布图)

      另一方面,由生物质出发生产制备具有高附加值的化学品也具有非常可观的发展前景,一份由26位权威专家撰写的报告《生物质能技术的路线图》中预测了到2030年,20%的运输燃料和25%的化学品将从生物质生产得到。由木质纤维素进一步水解得到糖醇等化合物再进一步转化成高附加值的化学品是这一过程中重要环节,目前,研究应用较多的生物质原料——木质纤维素主要是由纤维素(50%-70%),半纤维素(10%-40%)和木质素(10%-30%)组成。纤维素是自然界中最丰富的生物质资源,其转化和利用被认为是发展可持续能源的一条有效途径。大连化物所张涛研究员研究组将廉价的碳化钨催化剂应用于纤维素的催化转化中,在少量Ni的促进下,乙二醇的收率高达61%。乙二醇是生产聚酯PET、防冻液等最重要的化工原料,张涛研究员等的工作为利用可再生资源生产制备乙二醇做出了突破性的进展。大连化物所徐杰研究员研究组也致力于生物质催化转化制备具有高附加值的化学品,与山东经典化工股份有限公司合作开发的生物质催化转化制1,2-丙二醇项目在设计和建设的中试装置上实现一次开车成功,转化率和选择性均达到90%以上。
(下图为张涛研究员研究组的工作)

     生物炼制提供了一条过渡到更节能环保和可持续发展的化学能源经济时代的途径。未来生物炼制的成功还需要对将不同的化学组分转化成有用的生物质基化学品最适合的过程的基础了解和研究,因此,随着科学技术的发展未来的生物炼制将会产生怎样的可能性呢?

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