2022 年 11 月 12 日，" 科普中國 - 我是科學家 " 第 42 期 " 未來進行時 " 現場，清華大學化工系應用化學研究所所長、中國 - 拉美清潔能源與氣候變化聯合實驗室主任劉德華帶來演今天瑞陽澤要和大家分享的是從礦物煉制轉向生物煉制是人類社會發展的新裡程碑,歡迎閱讀~
2022 年 11 月 12 日，" 科普中國 - 我是科學家 " 第 42 期 " 未來進行時 " 現場，清華大學化工系應用化學研究所所長、中國 - 拉美清潔能源與氣候變化聯合實驗室主任劉德華帶來演講《生物煉制助力碳中和》。
劉德華演講視頻：
以下為劉德華演講實錄：
各位現場的來賓朋友，大家下午好，我是清華大學的劉德華。今天分享的題目是《生物煉制助力碳中和》，我将分三個部分給大家介紹生物煉制相關知識和進展。
生物煉制為什麼可以助力碳中和
大家知道，我們的衣食住行高度依賴石油、天然氣、煤炭等化石資源，而這些化石資源來自于億萬年前的生物質。因此，理論上講，生物質完全可以替代這些化石資源來支撐人類的衣食住行。也由此，相較于 " 石油煉制 " 的概念，學術界提出了 " 生物煉制 " 的概念。
生物煉制的概念與學術理論雖然很新，但生物制造産業卻很古老，甚至是遠遠早于石油煉制産業的。比如，中國在周朝的時候會釀酒，釀酒是把生物質原料通過生物加工的方式做成了酒精飲料，這就是典型的生物煉制。到現在為止，中國的生物煉制、生物制造産業的産值已經很接近石化産業了，也已經快達到 10 萬億的規模了。
既然化石碳源自億萬年前的生物質，那我們可以說化石資源來自于億萬年前大氣中的二氧化碳。我們現在把它挖出來燃燒、降解，就會把這些 " 遠古 " 的二氧化碳重新釋放到大氣中，結果就是現在大氣中的二氧化碳含量一直在增加。
而生物煉制的産品在燃燒、降解時雖然也一樣釋放二氧化碳，但這一部分二氧化碳本來就源自現階段大氣中的二氧化碳，并不會增加大氣中二氧化碳的淨含量。這就是為什麼生物煉制可以助力碳中和。
從理論上來講，《科學》雜志是這樣定義生物煉制的：
以可再生的生物質為原料，經過生物、化學、物理的方法，或者這幾門方法集成的方法，來生産一系列的化學品、材料、能源的新型工業模式。
生物煉制過程 | 劉德華供圖
前面提到生物質完全可以替代化石碳資源，那生物質從量上是否足夠全部替代化石碳呢？大家可能認為不可以。但實際的情況是，地球通過光合作用每年産生的生物質，以碳來計算大概在 950 億噸到 1000 億噸的規模。而現在工業上采用的化石資源，以碳來計算隻有 100 億噸左右。因此，隻要有十分之一的生物質資源流入到工業中就能滿足我們的需求。
而且，随着技術的進步，生物質的産出還可以再提高。比如袁隆平先生研究的雜交水稻就提高了水稻的畝産量，并且進一步研究推廣海水稻種植技術；又比如現在有很多國家在開發海洋牧場，這些都是提高生物質産量的可能。
油脂生物煉制技術産業化案例
第二部分給大家介紹一個生物煉制的案例，也是我的團隊過去 20 多年做的研究及産業化工作。
生物質按大類來分，最大的一類是纖維稭稈類，包括森林、牧草、農作物稭稈等；第二類就是澱粉、糖、糧食這類；第三類是油脂類。今天主要介紹的是油脂生物煉制的一個案例——利用油脂生産生物柴油，其副産物甘油再用于生産一個重要化工原料—— 1,3- 丙二醇。
柴油機是 90 年代末，由德國工程師魯道夫 · 狄塞爾所發明的。1900 年，魯道夫在巴黎的博覽會上展示了柴油機，告訴大家說這樣有更高的能源利用效率。當時柴油機燒的是什麼油呢？是花生油。
幾年前我到新疆去做調研，想看看綿籽油的使用情況。有一個綿籽壓榨廠的技術廠長跟我說 " 劉教授，這個事情我們清楚，你看我院子裡的那台裝卸棉籽的大鏟車燒的本來應該是柴油，但柴油緊張的時候，我就把我的生産線上壓榨下來的綿籽油放進鏟車郵箱，也可以用。"
棉花 | Pixabay
上面兩個例子告訴我們，柴油機的确是可以直接燒植物油的。動、植物油的成分是什麼？是甘油分子上鍊接了三個脂肪酸。植物油的分子量很大，容易燃燒不充分，會産生大量的黑煙，在低溫的狀态下發動機也不容易啟動。
科學家針對植物油燃燒的缺點，就想了一個辦法，用短鍊的醇，主要是甲醇（南美洲也用乙醇）跟甘油三酯進行酯交換，三個甲醇就可以換出一個甘油來。這樣原來連在甘油上的三條脂肪酸鍊，就會變成分開的三條脂肪酸甲酯鍊，這個過程叫轉酯化反應，這也是生産生物柴油的一類反應原理。另外，油脂裡會有遊離的脂肪酸，可以跟醇酯化，直接生成生物柴油，這叫酯化反應。酯化和轉酯化都需要有催化劑的參與。
通過生物煉制得到的生物柴油不僅可以完全替代石化柴油，帶來減碳的效果，還可以大大地減少污染物，比如 PM2.5、PM10，更沒有了芳烴類的污染物排放。
因為綠色可持續發展政策需求等原因，全球目前的生物柴油年産銷量已經快接近五千萬噸了。生産生物柴油的主流工藝采用的是化學法，用酸或者用堿來催化，堿催化轉酯化反應，酸催化酯化反應。化學法很成熟，規模很大，但在工藝上的弊端也很明顯。化學法對原料要求很苛刻，比如堿催化要求的油比吃的油還要好。而且不管酸還是堿，催化完了以後需要用水洗，這就會産生很多含酸或含堿的廢水。化學法的原料利用效率也不高。
第二類方法是超臨界法，把油脂和甲醇放到一起，提供超過甲醇臨界點的溫度和壓力，就能實現二者的快速反應。這個過程投資成本非常高，操作能耗也高。
第三類方法是生物法。有一類生物酶叫脂肪酶，脂肪酶可以高效地催化轉酯化反應和酯化反應。脂肪酶不在乎油脂原料裡有多少油或者多少甘油酯、脂肪酸，都能利用。生物法也不容易産生廢水，能夠在常溫常壓下進行反應，能耗還低，是真正綠色高效的方法。但是生物法為什麼沒能成為生物柴油生産的主流工藝呢？因為脂肪酶很貴，但甲醇、乙醇包括甘油會抑制脂肪酶的活性，常規的使用酶，會像堿和酸一樣用兩次就沒有活性了。因此，成本問題解決不了，有多少好處都沒有用，經濟上過不了關。
我的團隊 20 多年前開始做這個課題，我們從工藝開始突破。在我們研發的新工藝中，同樣的甲醇，同樣的油脂，隻能用 2 次的脂肪酶我們現在用到了 300 次以上，這個技術在 20 多個國家申請了專利。可以說，我們的新工藝在保留生物法原有優點的同時，提高了生物法的經濟競争力，這種提高甚至可以讓生物法優于化學法了。
2006 年的 12 月 18 号，在我們的技術支持下，全球第一套酶法生物柴油裝置建成了。當時的投産規模是年産 2 萬噸，後來又進一步改造到了 5 萬噸，這個裝置現在也一直在順利地運行，産品銷往歐洲。随後，我們把這個技術推廣給了國内其他廠家，目前已經有另外兩條生産線在運行，還有幾條生産線在建設之中。
生物柴油，從實驗室到産業化 | 劉德華供圖
我們還在努力走出去，尋求國際合作。這些年，我們一直在跟巴西合作，主要的合作夥伴是巴西聯邦裡約大學。巴西聯邦裡約大學原來跟巴西國家石油公司合作，建了一套傳統的生物柴油生産中試裝置。我們就跟他們講，這些裝置可以改成酶法，酶法有哪些好處等等。
達成合作意向後，我們就在兩邊科技部的支持下互派團隊進行學習培訓，很快在他們那邊實現了示範。改造後的這套裝置用的什麼油呢？用的聯邦裡約大學食堂裡的油，炸東西的那個廢油。這套裝置做好了以後示範效果很好，因為國外很愛油炸食品，廢油很多。我們就開始在巴西産業界推廣，找工廠合作。最終組織巴西和中國的企業，在雙方科技部領導的見證下簽訂了合作協議。
後來，馬來西亞找上門來了，馬來西亞有很多的棕榈油資源，也在開發生物柴油。在兩國總理見證下，我們和馬來西亞簽署了合作協議。不過因為疫情，這兩個項目稍有延遲。很快我們就将在海外實施酶法生物柴油技術的産業化。
講完生物柴油煉制，再給大家講講我們以此為契機發展出的其它生物煉制産品。我們說用甲醇去換甘油的生物柴油煉制法從化學計量來講，每生産 1 噸生物柴油大概會生産 100 公斤的甘油。在三十年前，甘油當時供不應求，我就帶着我們的團隊使用生物發酵的方法，用葡萄糖生産甘油。然後因為生物柴油的發展，甘油的價格一落千丈，我們就被迫開始為甘油找出路。最後還真找到了，甘油經過生物轉化可以做成 1,3- 丙二醇。1,3- 丙二醇的市場需求是非常巨大的，這讓我們意識到僅僅依賴甘油為原料去生産它是不夠的。于是我們又進一步開發了利用葡萄糖或者蔗糖來發酵直接生産 1,3- 丙二醇的技術。
1,3- 丙二醇的主要用途是跟對苯二甲酸做成 PTT，PTT 大家不熟悉，PET 大家也不熟悉。服裝面料用的滌綸，還有礦泉水的瓶子都是 PET，是用乙二醇跟對苯二甲酸聚合生産的。中國的 PET 産能超過七千萬噸。而用 1,3- 丙二醇代替乙二醇也可以生産聚酯，得到所謂的 PTT。做紡織的人告訴我說，PTT 纖維集中了所有化學纖維的優越性能，它有滌綸的形态穩定性，腈綸的蓬松性，錦綸的柔軟性，還有接近氨綸的彈性，而主要的生産難題是怎麼樣能低成本，或者有成本競争力地大規模生産 1,3- 丙二醇。
生物柴油與 1,3- 丙二醇聯産的流程圖 | 劉德華供圖
通過長期的技術研發，我們把生物法煉制 1,3- 丙二醇的第一代技術授權給了江蘇的盛虹集團，這是一個全球 500 強公司，産業鍊從煉油一直到最後的紡絲印染。我們授權他們建成了兩萬噸的 1,3- 丙二醇生産裝置，後來他們自己又配套建設了五萬噸的 PTT 裝置，成為了中國第一個具備全産業鍊的企業，獲得了國家工信部 " 工業強基計劃 " 的支持，打破了杜邦公司對此的壟斷。我們做的 1,3- 丙二醇賣給國内的聚酯企業，得到的評價反饋是指标性能穩定，跟杜邦的切片沒有差别，染色甚至更容易染色，也可以染得更鮮豔。
我們也在繼續提升我們的技術，第二代技術仍然以甘油為原料，但有了新的改進。我們跟廣東清大智興公司合作，在山東租賃了泰國正大的一家生産賴氨酸的工廠，很快很簡單地對其進行了改造，實現了 1.5 萬噸 / 年 PDO 的生産，産品已經銷到歐美、日韓，也包括國内的聚酯和化妝品行業。這裡要說明一下，生物制造還有一個好處是主要設備幾乎是通用的，換一個菌種，調整工藝參數就可以出不同的産品。
剛才提到，我們在生産 1,3- 丙二醇時意識到僅僅依賴甘油是不夠的，因此又構建了以糖為原料生産 1,3- 丙二醇的技術。這幾年因為疫情，物流供應受阻，甘油的價格突然一下又翻了好幾倍。我們就加快了糖做 1,3- 丙二醇的産業化，找到了山西的清大長興公司。他們加工 90 萬噸的玉米可以得到 60 萬噸的澱粉和部分葡萄糖，而且他們恰好也有一條賴氨酸生産線閑置了。我們就利用他們的裝置，用僅僅 5 個月的時間，在 6 月份實現了糖法生産 1,3- 丙二醇的兩萬噸産能。
之後，我們還找到 1,3- 丙二醇的另一個巨大用途。我們知道普通塑料容易給環境造成很多麻煩，聯合國也在逐步限制甚至淘汰化石碳源來的塑料，可降解塑料也就因此應運而生。現在真正能大規模生産的可降解塑料 PBS、PBAT 都是聚酯，是用 1,4- 丁二醇跟不同的脂肪酸聚合的聚酯。但僅僅用 1,4- 丁二醇得到的聚酯結晶度太高，加工性能很差，很脆。我們用 1,3- 丙二醇部分替代 1,4- 丁二醇，就可以調控聚酯的結晶度，調控它的可降解性能，調控它的加工性能，這為 1,3- 丙二醇帶來了巨大的應用前景。
生物煉制技術與碳中和
最後，第三部分給大家簡單介紹一下生物煉制與碳中和的定量數據關系。
我們知道巴西除了足球，可再生資源和能源的利用也很有名，比如燃料乙醇、生物柴油等。他們在上世紀七十年代末八十年代初，就開始在全國推廣用甘蔗做酒精，用酒精代替汽油的工藝了。在上世紀九十年代中，他們評估了因為甘蔗做酒精代替汽油所造成的二氧化碳減排效果，并分不同的環節統計了正排放還是負排放碳的效果，最後得到了總結：在 1996 年，甘蔗和酒精行業産生的二氧化碳排放，以碳來計算是負 1274 萬噸，相當于巴西化石能源所産生的排放碳的 20%。
巴西基于甘蔗生産和利用的 CO2 淨排放當量 | 數據來源：Macedo, I.C. – CTC / Copersucar
美國也有類似的數據，美國阿貢國家實驗室前不久發表的文章說，2019 年跟汽油相比，玉米燃料乙醇全生命周期所産生的溫室氣體排放，要比汽油低 44%-52%。
我們國家也有團隊在研究，中國農業大學謝光輝教授的團隊，在前年發表的文章中所統計的結果顯示，2015 年中國各類廢棄生物質資源能源化利用所帶來的減碳潛力，大概接近 4 億噸二氧化碳。他們預計到 2030 年，中國廢棄生物質資源化能源化利用對減碳的效果相當于全國碳排放總量的 4.87%-7.18%。
然後再給大家分享我們幾年前寫的一篇文章。我們知道青藏高原生态環境很脆弱，對環境的保護尤其重要。但高原特别适合種油菜，由于它的生長期長，因此不管是油菜籽的産率還是油菜籽的含油率都高于内地。我們就提出了一個想法：能不能在青藏高原地區推廣油菜種植，發展生物柴油産業。菜籽可以煉油，菜籽稈、菜籽餅可以做牛羊的飼料，這樣不光能給藏區帶來生态的、綠色的、減碳的産業，還能促進鄉村産業振興，是一舉好幾得的事情。
油菜 | Pixabay
最後我做一個總結：從礦物煉制轉向生物煉制是人類社會發展的新裡程碑，這會對經濟、社會、科技、文化帶來深遠的影響。這種轉變是經濟從不可持續發展向可持續發展的物質和能量基礎，是把農業和工業緊密連接的紐帶，是碳中和與鄉村振興的重要抓手。
前不久二十大的報告中有這麼一個提法，說中國最大的發展不平衡是城鄉發展的不平衡，最大的發展不充分是鄉村發展的不充分，沒有鄉村和農業的現代化就不可能有全中國的現代化。把農業從生産食物的單一途徑轉變成同時生産食物和工業、也就是生物煉制産業的原料，有利于鄉村振興，對農業、農村的現代化也會有很大的、很直接的貢獻。
石油煉制創造了上世紀化工學科和産業的輝煌，生物煉制能不能在新世紀繼續這種輝煌呢？要靠大家共同努力，謝謝。
演講嘉賓劉德華：《生物煉制助力碳中和》 | 拍攝：Vphoto
監制 & 策劃：吳歐
作者：李骁健
關于從礦物煉制轉向生物煉制是人類社會發展的新裡程碑就介紹完了，您有什麼想法可以聯系瑞陽澤。
