第492次香山科学会议:大宗化学品可持续化工-生物融合转化过程的关键科学问题

2014-07-24

  为深入探讨大宗化学品绿色转化的基础科学问题,促进大宗化学品化工-生物融合转化的科学原理和关键技术的突破,推动产业化进程, 近日在北京召开以“大宗化学品可持续化工-生物融合转化过程的关键科学问题”为主题的香山科学会议第492次学术讨论会。南京工业大学欧阳平凯教授、华东师范大学何鸣元教授、德国汉堡技术大学曾安平教授和中国科学院青岛生物能源与过程研究所刘会洲研究员担任会议执行主席,自高等院校、科研院所、行业部门和管理部门的国内外40余位专家学者应邀参加了讨论会。与会专家围绕(1)材料化工产业现状及发展前景和生物质化学转化进展及发展态势;(2)大宗化学品融合转化战略构想;(3)大宗化学品生物转化研究现状与趋势等中心议题进行了深入讨论和交流,并提出了建设性意见。
  刘会洲研究员作了题为“大宗化学品可持续化工-生物融合转化过程的关键科学问题”主题评述报告,提出了大宗化学品化工-生物融合转化体系的建立,该体系包括原料的融合、过程融合和集成系统融合。在重要大宗化学品的多原料融合转化方面提出了多原料转化路线设计和可行性;针对融合过程中多单元化工过程到集成生物过程,提出了中间体的高效定向生物合成方法;针对集成生物过程到多单元化工过程,提出了拆分的原理及关键反应体系构建。针对化学过程与生物过程互换,提出了关键催化剂的设计和反应体系构建。针对综合集成系统(经济性、环境效益、原料、技术),提出了全生命周期技术评价。运用案例探讨了重要的融合途径和切入点,并针对这些关键科学问题提出了个人看法。
  讨论中,专家认为:我国目前处于资源短缺和环境污染的双重压力下,探讨化工和生物的融合选题很好、正当其时;我国应大力发展集农业、养殖业、沼气、甲烷能源化以及衍生化利用为一体的具有中国特色的发展道路。生物转化制备大宗化学品存在一定的挑战,转化条件存在局限性。在生物催化领域里,如何找到生物和化学融合的最佳点,是本次会议的重点讨论内容之一。关键问题是如何实现生物和化工融合。生物质是源头,如何把源头分解、梳理好,是实现融合的重要基础。建议将生物催化与化学催化相结合,做高端的化工产品。应重点考虑C1资源的利用及相关基础研究,并重点关注发酵行业的大宗产品。应尝试不同原料,通过融合解决产品过剩与不足,要从产品结构、原子经济性、市场经济性及环保角度细化设计。

一、材料化工产业现状及发展前景和生物质化学转化进展及发展态势
  与会专家作了题为“大宗化学品发展趋势与技术对策”中心议题评述报告,指出受石油资源短缺、美国页岩气开采、以及中东低价乙烷的影响,我国大宗化学品发展面临前所未有的挑战,局部产能过剩、结构不合理显现。提出未来我国大宗化学品将主要朝着生产过程绿色化、原料多元化的方向发展。
  与会专家还作了题为“温室气体减排与微藻生物能源的集成”、 “非石油基原料路线的化工-生物融合转化的思考”、“生物基有机酸催化制备技术进展”和“木质素低温转化制备液态燃料的技术”专题报告。
  讨论中,有的专家介绍了大宗化学品候选化合物的评定准则,并讨论了木质纤维素的成本问题。

二、大宗化学品融合转化战略构想
  与会专家作了题为“低劣生物质高值化利用过程的生物-化学-材料交叉融合及前景”中心议题评述报告,提出我国目前每年有大量的各类农林废弃物、畜禽粪便、城市垃圾、餐饮废油和不宜耕种农田,这些低劣生物质可经不同转化途径得到能源约折合10亿吨标准煤。这是我国发展大宗化学品产业的重要可持续资源。要坚持“不与民争粮、不与粮争地”的原则。生物-化学-材料学科的深度交叉融合、并结合工程技术,是实现高值化利用低劣生物质生产生物能源、生物基材料及化学品的核心和重要发展趋势。
  与会专家还作了题为“生物转化融合化学转化技术进展”、“化学转化融合生物转化技术进展”和“化学转化融合生物转化技术进展”专题报告。
  讨论中,专家表示生物原料、生物技术都取得了较显著的进展。从原料路线开始,对分离、反应器、反应工程等方面都需要进一步思考,碳、氢来源绿色是新一代燃料化学品的标志,进一步将燃料化学品的特点进行总结,才能对新一代产品有更深入的理解。原料和方法都应从可持续角度探索每个方法的缺点或瓶颈问题,确立参照系非常重要,对下一代燃料化学品的开发至关重要。首先是原料的可持续,其次是方法的可持续,最后是产品的可持续,即产品的更新换代。应该从经济、环境、原料和技术方面进行思考。关键是糖平台的搭建,更关心精细化学品和食品添加剂。从企业角度考虑,发展先进的预处理技术降低能耗和C5损失、含盐废水的综合化处理、木质素的综合利用等是重点方向。

三、大宗化学品生物转化研究现状与趋势
  与会专家作了题为“大宗化学品生物转化研究现状与趋势”中心议题评述报告,综述了国际上大宗化学品生物转化研究现状,介绍了德国在“高科技战略”框架内推出的跨越2020年的“下一代生物制造过程”战略计划,以及欧盟在“Horizon 2020”框架内即将推出的预算为38亿欧元的“Bio-based Industries Initiatives”行动计划;并就大宗化学品生物转化发展趋势进行了预测,阐述了其生物转化的关键科学和技术问题;提出可通过生物炼制和废物利用来综合解决原料瓶颈问题,还提出应当关注氨基酸的衍生化以及电驱动的生物合成、体外多酶合成体系和仿生合成体系等合成生物学方面的新技术。
  与会专家还作了题为“大宗化学品产业及生物转化关键技术分析”、“大宗化学品生物转化过程技术进展”和“生物基大宗化学品分离过程技术进展”专题报告。
  讨论中,专家提出细胞生长为还原过程。生物的优势在于生物催化剂可以催化复杂底物。从产品角度,利用废弃物生产精细化工品是生物化工的优势。从生物转化方面,如何解决原料是关键问题。在发酵过程中,微生物对高温的耐受可大幅度降低,因降温而带来能源消耗。

四、共识与建议
  通过此次会议,与会专家初步达成如下共识:
  1、大宗化学品的可持续化工-生物融合转化研究对推动我国化工产业转型升级、减少传统化工过程污染排放、降低对传统化石资源原料依赖、推动我国从化工、发酵生产大国向强国转变具有重要的意义,已成为世界各国政府、产业界和科技界关注的焦点。
  2、随着生物技术和化工技术的不断发展,我国已经具备了化工-生物融合转化技术发展的各方面条件,此时针对化工-生物融合转化召开香山科学会议进行探讨,正当其时。结合世界科技前沿和我国国情,我国大宗化学品发展要走特色的发展道路,尤其要注重考虑资源融合、过程的环境效益和产品的经济效益。
  3、利用生物质生产大宗化学品是生物质高质化利用的重要方向,近期要重点与传统化石资源(石油、煤、天然气、页岩气等)原料互补发展,重点探索适于采用生物质原料的大宗化学品转化技术;生物技术和化工技术仍然有巨大的提升空间,利用生物质资源生产大宗化学品有望实现对传统化石资源的有效补充甚至部分替代。
  4、大宗化学品的生产过程要在以工程化、产业化为目标的前提下,进行原料选择、技术和工艺选择、装备配套、产品细分,技术路线选择方面要充分考虑化工技术和生物技术的互补和取长补短。要以经济性、环境效益、原料与技术的适配等作为原料选择、工艺与技术选择的指导原则。
  与会专家就如何通过化工-生物融合转化技术制备大宗化学品,促进大宗化学品生产的绿色转化和原料来源多元化,提出如下建议:
  1、针对市场对大宗化学品整体生产成本要求高的现状,化工-生物融合技术制备大宗化学品技术和产业化发展需要政府、产业界和科技界的共同努力,亟待建立政府引导、产业支持、科技支撑的宏观环境。针对国家和市场急需的产品,前期需要通过政策支持(如:补贴)培育技术,待技术成熟度提升后,由市场化推动技术的进一步提升和进步,推动我国大宗化学品产业跨越式发展。
  2、大宗化学品的化工-生物融合转化建议重点关注:(1)原料融合方面,可再生(如:生物质、二氧化碳等)和传统化石资源原料(煤、石油、天然气、页岩气等)的融合;(2)过程融合方面,生物和化学催化剂的理性设计与构建、化学催化剂的仿生构建、转化反应的拆分和整合,利用化工过程工程技术强化生物反应过程;(3)系统集成方面,以系统集成和全生命周期评价为指导,重点关注新技术、新的化学品与材料的研究和开发。
  3、通过化工-生物融合转化制备化学品的产品方面建议重点关注:(1)传统化工产品的融合转化部分替代,如:三烯三苯及其衍生物;(2)传统生物转化产品的高质化,如:氨基酸、有机酸、醇类及其衍生物;(3)C1平台化学品及其衍生化,如:合成气、二氧化碳、甲烷等及其衍生物。
  4、通过化工-生物融合转化制备化学品的若干关键问题:(1)如何对生物系统的复杂性和特异性实现调控。(2)如何实现反应和分离过程的耦合,化学过程和生物过程耦合。(3)以绿色可持续为目标,从原料到产品全流程进行优化设计的原则和规律。
  5、针对当前化工-生物融合转化制备大宗化学品的发展需求,建议科技部、基金委、中国科学院等部署国家层面重大研究项目,加大对大宗化学品化工-生物融合转化技术方面的投入,组织跨学科的交叉研究队伍开展重大项目研究。

 

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