生物基化学品商业化现状及前景
发布时间:2024-04-03     浏览次数:127    发布者:Admin

当下,全球碳减排的大背景下,新的政策和法规正在推动各行业加快脱碳进程,实现从化石经济向生物经济的重大转变。这不仅意味着从能源领域逐步淘汰化石燃料,还意味着不再将原油作为平台化学品、聚合物、药物、溶剂等关键材料,生产我们日常生活中无处不在的化学品和化石材料消费品。
微生物经过系统代谢工程,能够将生物质来源的碳源有效地转化为目标化学品。近年来,生物技术的进步使得具有成本和性能竞争优势的生物基化学品逐步进入市场。本文介绍了用于生物基化学品生产的六大生物技术平台,展望了未来生物基化学品的市场增长,期望为行业发展提供有价值的参考。
用于生物基化学品生产的生物技术平台
将生物质转化为有价值的产品的技术平台主要可以分为热化学平台和生物技术平台。其中,热化学平台主要用于生物燃料的生产;生物技术平台则基于生物质的酶促转化,即发酵,相比于热化学平台,其转化条件更温和,并且可以在有氧或/和厌氧条件下进行,主要用于高价值生物基化学品的制备。
目前,用于生物基化学品生产的生物技术平台大致可归为以下几类。
合成气平台
合成气的主要成分是一氧化碳和氢气,通常通过气化产生。这些中间体可以进行广泛的化学和微生物转化,生成气体、液体燃料以及许多其他精细化学品。
由于其快速灵活的特性,近年来利用生物质生产合成气越来越受到关注。目前,使用该技术平台的挑战主要有两个方面:一是与煤炭(碳含量60%~85%)相比,生物质的碳含量比较低(15%~50%),而且废弃生物质中的水分含量高,成为阻碍该技术规模化的根本问题;二是生物质的巨大异质性大大增加了运输和生产成本。尽管如此,该平台仍然是一种非常有前途的利用可再生资源生产氢气的替代方案。
沼气平台
沼气是指从生物质厌氧消化中获得的气体混合物,主要包含甲烷和二氧化碳。甲烷可用于生物精炼厂内的供暖或发电,同时也可纳入传统的天然气系统,在压缩后作为轻型和重型车辆的运输燃料,或者作为生物基化学品,如氨、甲醇、含氧化学品、乙炔和氰化氢等的前驱体。二氧化碳则可以作为一种平台化合物,进一步生产诸多增值化学品。
 C5/C6碳水化合物平台
五碳(C5)和六碳(C6)糖的增值是当前生物精炼中发展最好的分支之一C5和C6碳水化合物可以通过淀粉、半纤维素和纤维素的解聚获得。为了提高产量并加速生物质分解,原料通常要经过预处理,然后进行化学或酶处理,最终释放出单糖,转化为生物燃料和化学品。在该平台中,最常用的两种原料是:(1)来自玉米等农作物的碳水化合物,此类原料主要由C6碳水化合物组成,通常通过发酵将其转化为乙醇或其他有价值的生物基化学品。2)来自木质纤维素生物质的碳水化合物,是全球最具成本效益和高度可再生的自然资源,其碳水化合物的比例为60%~70%。其中,纤维素是主要成分,由葡萄糖单元(C6)形成,可以经过化学和酶促过程产生葡萄糖分子;半纤维素约占总生物质干重的三分之一,是一种更复杂的共聚物,由C6碳水化合物(如半乳糖、甘露糖、葡萄糖、4-O-甲基葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸残基)的直链或支链与C5碳水化合物(主要是木糖和阿拉伯糖)结合形成。半纤维素的解聚发生得比纤维素更快,并且从生物精炼过程中产生的C5糖通常比从纤维素中获得的葡萄糖更具反应性,是制备生物燃料、生物基化学品的有价值的起始材料。
木质素平台
木质素是仅次于纤维素的自然界第二丰富的生物聚合物,也是芳香族化学品的首要生物基来源。其可用于制备树脂、复合材料、聚合物、碳纤维和粘合剂等,还可以转化为合成气,进而转化为燃料或其他有价值的分子。
木质素是一种随机交联的水性聚合物,主要由三个带酚核的单元形成,即对香豆醇、松柏醇和芥子醇,也称为木质素单体。这些木质素单体相互连接,并与碳水化合物连接形成无定形结构,因而对其进行表征、分离和解聚都比较困难。作为一种重要的可再生原材料,尽管多年来科研界和工业界努力开发高效和规模化的木质素解聚工艺,该平台仍然面临诸多挑战,尤其是以木质素为原料生产平台化学品,如具有芳香族官能团的化学品(苯、甲苯和二甲苯),是木质素平台最大的挑战。
在木质素平台中,目前最先进的工艺是木质素优先策略,其代表是还原催化分馏(Reductive Catalytic Fractionation, RCF)工艺RCF工艺的提出,使得从木质素和碳水化合物组分中制备高产率的平台化学品成为可能。此外,在诸多木质素分离提取工艺过程中,木质素会进一步大量的发生缩合反应(注:缩合指单体之间发生碳碳链接方式的聚合),造成单体产量下降。尽管科学家对木质素做了大量的研究——从发展新的催化剂到提高分解温度等——但是效果并不明显或者经济上并不可行。未来,解决这一问题对于制定木质素增值策略至关重要。
 植物油平台
植物油和脂肪是一类广泛的可再生原料,在整个化学工业中具有众多应用,如用于生产生物燃料、润滑剂、涂料、粘合剂、弹性体、密封剂、家庭和工业清洁剂,以及个人护理产品、药品和营养保健品等,而且产品与石化行业的同类产品相比具有成本和性能竞争力,同时无毒且环保。
目前,该平台使用的原料主要为非食用油,如棕榈油、大豆油、椰子油、藻类中提取的油以及食用油废弃物重点产品包括:1)甘油三酯——部分氢化甘油三酯在食品工业中广泛用于制备人造黄油和许多其他加工食品;2)脂肪醇——由醇加氢获得,广泛用作化妆品和个人护理产品中的增塑剂;3)环氧化物——主要由豆油生产,用作PVC稳定剂、增塑剂、生物基树脂成分、涂料和润滑剂等;4)脂肪酸盐——游离脂肪酸,如壬酸和壬二酸(壬二酸),可以通过酸性水解、酶促条件或通过不饱和甘油三酯的选择性氧化裂解来合成,是生物基聚合物和农用化学品的有价值原料;5)甘油三酯衍生生物柴油——是通过甘油三酯酯交换获得的脂肪酸甲酯和/或乙酯的混合物,已成为主流的生物燃料之一;等等。
植物平台
基于藻类的平台:由于藻类的生物质不含木质纤维素,因此更容易进行转化,且有多种开发可能性,例如,用于生产生物柴油的甘油三酯、肥料、食品工业添加剂、营养补充剂等。

湿生物质压榨平台:压榨湿生物质后在液相中获得的产品,主要原料是苜蓿、三叶草、甜菜叶、马铃薯叶或未成熟谷物等绿色作物。两个主要产品是:1)液体提取物,包含氨基酸、蛋白质、羧酸、激素和酶等;2)固体残渣(滤饼),由木质素、纤维素、淀粉、颜料和其他有机分子组成的混合物,可用作燃料或饲料颗粒,还可以通过气化、热解、水热液化等热化学转化,或通过厌氧发酵生产沼气,也可以用于生产板材、绝缘材料、园艺基质和生物复合材料等。

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