本文发表于《中国科技成果》2008年第23期，p.54-56
该文被《新华文摘》2009年4期的“论点摘编”栏目所摘
生物化工将取代石油化工成为未来化工业主流
封 颖
（中国科学技术信息研究所，北京 100038）
摘要：随着全球石油资源的日益枯竭、生态环境日益恶化，生物化工来替代石油化工已成为当前发展的必然趋势。本文介绍了生物化工产业的崛起及其优势，分析了全球生物化工产业的发展趋势以及当前我国生物化工产业的发展目标。
关键词：生物化工 石油化工
Bio-chemistry Will Replace Petroleum- chemistry To Be The Mainstream In The Future
FENG Ying
(
Abstract：With the drying up of petroleum and the deterioration of the global environment, bio-chemistry will replace petroleum- chemistry to be the mainstream In The Future.This paper introduces the rising-up and advantages of the bio-chemistry,and analyses the development trends of the global bio-chemistry and the main goals of the bio-chemistry in
Key words: bio-chemistry petroleum- chemistry
1.引言：传统石油化工技术和产品的副作用和不可持续性日益显著
石油被誉为工业文明的血液，石油化工技术和产业为20世纪带来了高度的文明和便利。近年来，随着全球石油资源的日益枯竭、生态环境日益恶化，用生物质原料生产生物化工产品来替代石化产品已成为当前发展的必然趋势。
2003年以来，一种以生物可再生资源为原料、利用酶加工生产工业品的生物化工技术走向成熟。生物化工是化学工程的一个前沿分支。它它应用化学工程的原理和方法，研究解决有生物体或生物活性物质参与的生产过程即生物反应过程中的基础理论及工程技术问题。越来越多的有识之士认识到生物化工虽然“小荷才露尖尖角”，但已展现出了逐渐取代石油化工的历史趋势，它将给原料来源、能源消耗、经济效益、环境保护等方面带来根本性的变化，对经济和社会的可持续发展产生重大而深远的影响。
2.生物化工的崛起及其前景已为美国、欧盟有识之士所认知
美国、欧盟等国的有识之士早已认识到了生物化工的崛起及其前景。美国著名的《化学周刊》杂志组织了“化学工业：2020年展望”大讨论，对未来15年内世界化学工业的发展进行预测。美国和欧盟化学委员会、化学遗产财团公司、陶氏化学等著名化工公司。会议认为，生物技术已经对工业所采用的某些酶和有机物产生了重要影响。从目前到2020年，生物技术将拓展到染料、聚合物、表面活性剂、精细化学品、食品添加剂等产品的生产中。生物质将成为重要的化学工业原材料。到2020年，世界化学工业将进入以生物科学快速发展为特征的第三轮创新高潮。[1] 美国银行化工分析师认为，未来化学工业投资必须重新定位（capital relocation），因为投资于传统石化产品“已无吸引力”。
美国国家科学研究委员会预测认为，到2020年生物化工制品将占全部化工制品的25％，到2090年则将占90％。（见表1）
美国国家科学研究委员会（National Research Council）对于生物化工产业发展的预测
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生物化工制品在全部化工制品中的所占比例 ％ | ||
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当前 |
2020年 |
2090年 |
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10 |
25 |
90 |
表1资料来源：美国国家科学研究委员会研究报告[2]
杜邦公司是历史最悠久、经营最成功的美国老牌化工跨国公司之一。杜邦在20世纪的主旋律是石油化工产业。21世纪以来，她宣布将以生物业务作为其公司第三个一百年的指导思想。2004年初，杜邦进行了600多亿美元的业务剥离和大规模重组，毅然卖掉了仍能获取巨大利润的石油业务，宣布将大其在生物化工技术领域的投资，2008年～2011年期间，杜邦将向应用生物技术部门投资5亿美元。
石油化工行业是高耗能、高温室气体排放行业。随着《京都议定书》和欧盟REACH法案[1]的实施，欧盟一直推行生物化工产业的发展，欧盟大宗石化产品消费很大部分通过进口来满足。在英国，多年来炼油和石化产能增加很少，新增石化产能大部分是英国控股、在境外设厂的方式。BP本是英国石油公司的缩写，但现在有了新的含义，即“beyond petroleum”（超越石油），因为可再生能源业务现在成了英国石油公司的主要发展方向之一。
3. 生物化工的优势
与石油化工相比，生物化工有其独特的优势。
（1）原材料丰富。生物化工与石油化工相比，首先在于原料优势。目前石油价格飞涨，有专家预计很快将达到150～200美元/桶的新高点。2007年我国共进口原油1.63亿吨，同比去年增长12.4%，我国石油依存度已近50%，接近警戒线。生物质资源在我国则很丰富，可利用的木质纤维素资源达到20亿吨/年以上，这与我国的能源年消耗量数量级相同。燃料用途和石化产品的生产是石油消费的最主要领域。
（2）环境友好性。化工企业是节能减排主战场。“十一五”期间，石化企业要实现万元GDP能耗降低20％的硬性目标。面对这一节能减排硬杠杠，生物化工成了最好的选择。美国著名咨询公司麦肯锡咨询公司一份研究报告认为，应用生物化工技术可以在未来20年中减少传统化学工业原料、水和能源消耗的30％，并减少30％的污染物排放。2001年，OECD在一些国家和地区进行了生物技术用于改造传统产业的21个试验。试验主要是测试生物技术对传统重污染工业的绿色改造效率：1、在改造纸浆和造纸行业方面，生物技术能减少漂白过程中10％～15％的氯排放量，并且将漂白过程中的能量消耗降低40％；2、在改造纺织业方面，生物技术可以减少14％～18％的水消耗量，与水有关和空气散热方面的费用减少50％～60％，漂白过程的能源消耗也将降低9％～14％；3、塑料产品生产在改造方面，用生物有机原料替代石化原料，能够减少20％～80％的对石化资源的需求，而且产品是可自然降解的“绿色塑料”。[3]美国生物技术行业协会也进行了相关评估：在漂白工艺中应用工业生物技术，对水和空气进行漂白的氯的总量要降低10～15％，同时与漂白相关的能量要降低40％，并且随废水排出的毒性物质也要减少。纺织品生产中的耗水量要减少17～18％，同时降低50％～60％的耗水量和空气排放量的成本。用有机原材料取代石油化学原材料，在塑料制品生产中降低20％～80％石油化学物的消耗量，同时塑料制品生产中废料的产生也要降低80％。[4]
（3）生产过程温和。石油化工需在高温、高压、强酸、强碱等剧烈反应条件下进行，易造成许多不安全因素。生物化工一般都采用微生物菌种作为催化剂，生产过程一般都在常温常压下进行，安全性较高。
（4）反应专一性。由生物酶催化反应一般都有很好的专一性，不仅有底物专一性，而且还有立体化学专一性，因此现代生物技术过程副反应极少。
（5）设备同一性。生物技术生产化学品的设备一般都很相似，常可更换生产品种，而不像传统化工设备有明显的专一性。在工程技术开发和装备研制上，生物化工都可以与石油化工有机结合。
4.世界生物化工产业的发展趋势
目前全球生物化工产业以18％的年增长速度迅猛发展.OECD预计,到2020年将有20％～30％的化学工艺过程将会被生物过程所取代[5]。未来生物化工研发主要涉及以下方面：
（1） 提高有机酸等产品发酵生产技术水平，以满足工业、农业、医药诸多方面的需求。
（2） 发展单细胞蛋白（SCP）等产品工业化生产，以满足饲料工业发展的需求，并更多地提供生物化工原材料。
（3） 推动生物降解塑料的应用。相对于普通塑料，生物塑料可降低30％～50％石油资源的消耗。
（4） 改变现有食品结构，使之多样化，富含营养保健功能，药膳结合，简便易行。
（5） 提高微生物生产丙烯酰胺、PHB产业化生产水平，既有利于生物塑料产业化，又有益于保护生态环境。微生物生产丙烯酰胺，产品纯度高，选择性好，转化率达99％以上；微生物生产PHB，尽管有独特优越性，但须降低成本，才有可能与化学速率显示竞争力。
（6） 微生物多糖及双糖、生物色素、酶制剂、甜味剂表面活性剂以及生物粘合剂等产品有效开发，对此微生物技术及发酵工程应用是大有可为的。
（7） 提高氨基酸等产品工业化生产水平，以满足食品工业、医药工业及农林等多方面的需求。
（8） 生化技术治理化学工业生产的污染物，特别是微生物技术的应用潜力巨大，前景广阔，它在保护环境和实现环保产业中将大有作为。[6]
5. 当前我国生物化工产业的主要发展目标
(1) 以聚乳酸（PLA）为代表的生物塑料
北京奥运会和残奥会给世人留下了 “绿色奥运”的理念和实践——奥运会使用的570万个垃圾袋全部采用全降解生物塑料，这种塑料袋以玉米淀粉为原料，丢弃后72天内即可自然分解为二氧化碳和水，不会对环境造成任何污染；奥运餐具将使用可降解生物塑料餐具； 10万把奥运场馆临时塑料座椅也将由可降解生物塑料制造。通过绿色奥运的契机，人们接触并接受了生物塑料这一新生事物。奥运之后，很多企业已经在大力开发进入寻常百姓生活的种种可降解生物塑料制品，如，生物塑料铅笔盒，可降解生物拼插及剪贴儿童玩具等等。生物塑料是我国生物化工目前应该大力发展的主要方向之一。
化工巨头巴斯夫公司预测生物塑料的年增长率大于20％。位于德国柏林、代表欧洲生物塑料行业的IBAW协会估算，全球生物塑料业如今正迅速发展，2007年约占欧洲塑料市场4000万吨的10％。欧洲生物塑料消费量2005年为8万吨，预计到2015年消费量将增加到约100万吨。在美国召开的塑料工程师学会年会上，专家预计，全球生物塑料生产将从2007年的26.24万吨提高到2011年的99.88万吨，这一预测显示了全球生物塑料生产在持续升温。
聚乳酸被产业界认为是最有市场潜力的新型生物包装材料之一，现全球生产能力为2.5万吨/年。它以糖蜜等发酵制成的乳酸为原料，再通过直接缩合聚合法，或其二聚体丙交酯开环聚合法等方法化学合成的。在聚乳酸生产路线中，乳酸单体首先通过谷物淀粉水解为葡萄糖，葡萄糖由发酵过程转化为乳酸钠，由此来制备。乳酸进一步浓缩，然后按照缩聚（形成预聚合物）、热解聚（形成二丙交酯）、开环聚合和解聚顺序进行聚合。得到聚乳酸的分子量高达
玉米是生物降解塑料的首选原料。制造生物降解塑料的工艺过程如下。首先把玉米磨成粉，分离出淀粉，再从淀粉中提取出原始的葡萄糖，最后用类似啤酒的发酵工艺将葡萄糖转化成乳酸，再把提取出来的乳酸制成聚乳酸。除玉米外，一些常见农副产品如甜菜粕、砻糠、玉米秸秆等等均可用于发酵乳酸从而成为生物塑料的原料。
(2)生物制乙烯
乙烯是石油化工工业的龙头产业，也是最重要的基本有机化工原料之一。约有75％的石化产品都是乙烯生产的，因此乙烯有“石油化工之母”之称，其工业生产的规模、产量和技术水平是衡量一国化学工业水平的重要指标。随着上游油价飞涨，石油制乙烯的成本迅速增加、市场竞争力下降，生物制乙烯代替石油制乙烯已成为当前发展的必然趋势。生物法制乙烯是以大宗可再生生物质为原料，通过微生物发酵得到乙醇，进而在催化剂的作用下脱水生成乙烯。
目前我国发展生物乙烯面临着很大优势。我国乙烯供不应求，一半乙烯都靠进口，生产乙烯具有的巨大市场缺口和需求空间，2005年乙烯市场需求达到19Mt，专家预计2010年将达到26 Mt，2020年将突破40 Mt。另外，乙烯下游产品的附加值都较高，如环氧乙烯大约1.7万元/吨，乙二醇8400元/吨，聚乙烯1万元/吨，醋酸7900元/吨，所以无论是石油法制乙烯还是生物法制乙烯，利润空间都很大。目前，我国生物乙烯企业也在纷纷上马。2004年，安徽丰原集团投产了我国目前年产量高达1.7万吨的生物乙烯装置。隶属中石化的四川维尼纶厂具备了年产0.9万吨生物乙烯的产量。
(3)淀粉替代石油合成乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇等化工醇化工产品
从淀粉出发可合成乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇等化工醇是我国生物化工发展的又一方向。国外已经对淀粉生产的山梨醇氢解制取乙二醇、1，2-丙二醇和丁二醇等进行了很多研究，而我国在产业化方面走在了前面。国家重点项目、长春大成集团年产20万吨玉米化工醇项目2006年已建成投产。1，4-丁二醇通常经过化学合成法得到。美国Argonne国家实验室等已经联合开发酶法工艺，将葡萄糖转化成丁二酸，再用适当的催化剂将其转化为1，4-丁二醇。该工艺的特点是易于操作，成本低廉，可达世界级规模（10万吨/a），已有计划和ApplidCarbochemicals公司合作，将该工艺推向工业化。开展生物法生产1，4-丁二醇技术也应引起我们的重视。
目前，我国乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇等大量依赖进口。我国生物化工应在现有淀粉原料生产化工醇技术的基础上不断完善和创新，争取尽快形成技术、规模和产品性能的优势。
结语
生物经济正在成为信息经济之后的世界经济的又一个新经济增长点，生物产业有望在10～15年内成为我国的支柱产业。
目前，我国生物化工技术与产品都处于起步阶段，还受到资源、资金、技术等等多方面制约。生物化工属于朝阳产业，符合生物替代石油的能源战略。我国应在生物化工的科研开发、工程放大、项目建设上给予重点扶持，尤其是对于具有示范带动作用的项目，国家要在投资、贷款和税收等方面给予支持。
参考文献：
[1] 需求等因素转变将影响化学工业今后15年发展，试剂与精细化学品，2007年2期
[2] http://sites.nationalacademies.org/nrc/index.htm
[3] 工业生物技术发展现状及未来趋势，邢雪荣等，中国科学院院刊，2007年3期
[4] 工业生物技术为我国提供历史性战略机遇, 张强等，国际技术经济研究2006年2期
[5] OECDIEA.Energy Technology Perspectives Scnarios&Strategies to 2050[M].USA,2006,7
[6] 生物化工概述，欧晓明，泸天化科技-2006年1期