生物質(zhì)：化學(xué)和能源工業(yè)的可再生碳資源

化學(xué)對(duì)于日常生活中使用的所有產(chǎn)品的加工都是必不可少的，例如制成品、材料、燃料和能源設(shè)備、建筑、交通、食品、醫(yī)藥產(chǎn)品、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品和通信設(shè)備。考慮到該行業(yè)的廣泛性及其為確保發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步以滿足不斷增長的世界人口的需要而必須的增長，一個(gè)新的化學(xué)時(shí)代已經(jīng)到來，在這個(gè)時(shí)代，化學(xué)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響（包括危害、生命周期、碳足跡和資源可持續(xù)性）將最小化。利用生物質(zhì)生產(chǎn)化學(xué)品、能源產(chǎn)品和材料是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。本文簡要概述了生物質(zhì)作為可再生資源的使用，從動(dòng)機(jī)和社會(huì)問題的角度分析了其多年來的演變，突出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)，并強(qiáng)調(diào)了仍然存在的挑戰(zhàn)將如何需要化學(xué)科學(xué)各個(gè)方面的貢獻(xiàn)。

生物質(zhì)利用的意義和動(dòng)機(jī)：綠色化學(xué)背景
人們對(duì)生物質(zhì)的認(rèn)識(shí)得益于20世紀(jì)90年代以來建立的概念和原則，例如謝爾登的環(huán)境因素、特羅斯特的原子經(jīng)濟(jì)，以及更全球化的阿納斯塔斯和沃納的綠色化學(xué)原則以及何（He）等人的綠色碳科學(xué)。這些現(xiàn)在已成為現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)了阿納斯塔斯的化學(xué)希波克拉底誓言，發(fā)誓任何化學(xué)過程或產(chǎn)品都不應(yīng)造成任何傷害，造成在全球范圍內(nèi)包括科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、文化和道德問題。在普遍的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)中，負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)解決了用于制造化學(xué)品的起始材料的關(guān)鍵問題。

生物質(zhì)包括來自蔬菜、農(nóng)產(chǎn)品、林業(yè)產(chǎn)品和任何剩余物的所有分子和大分子化合物。使用可再生原料，主要是生物質(zhì)，是綠色化學(xué)的重要組成部分。同時(shí)，綠色化學(xué)的原則也指導(dǎo)著整個(gè)生物質(zhì)利用過程。如果不遵守所有其他綠色化學(xué)原則，就不能將生物質(zhì)用于化學(xué)本身視為目的。反應(yīng)效率、原子經(jīng)濟(jì)性、資源消耗限制、防止浪費(fèi)以及工藝和產(chǎn)品安全也適用于生物質(zhì)的使用，從生物質(zhì)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化為生物基產(chǎn)品，直到最終使用。在某種程度上，這意味著回到石油時(shí)代之前，當(dāng)時(shí)生物質(zhì)是化學(xué)早期唯一的碳資源，同時(shí)旨在滿足更多、技術(shù)更先進(jìn)的人口對(duì)化學(xué)產(chǎn)品的當(dāng)前需求。

（圖文無關(guān)）?綠會(huì)融媒·海洋與濕地大自然不斷利用水、二氧化碳和太陽能生產(chǎn)生物質(zhì)。在農(nóng)作物價(jià)格低廉、石油昂貴的時(shí)代，化學(xué)中使用生物質(zhì)的目的主要是為未使用的作物和剩余物提供更好的價(jià)值。如今，全球范圍內(nèi)的人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到，化學(xué)品制造商有必要更新其產(chǎn)品組合，使用含有更多可再生碳的化合物，遵循普遍接受的可持續(xù)目標(biāo)，日益嚴(yán)格的法規(guī)和消費(fèi)者行為，這推動(dòng)了這一勢頭。這還必須解決糧食與非糧食資源、可耕地可用性、土壤貧瘠、水需求和農(nóng)業(yè)實(shí)踐可持續(xù)性等問題。

生物質(zhì)還可以提供可再生能源，類似于風(fēng)能、水能或太陽能。此外，大多數(shù)化學(xué)產(chǎn)品都離不開碳資源。因此，生物質(zhì)可用作制造能源產(chǎn)品和高附加值化學(xué)品和材料的原料。每年產(chǎn)生的大量非食品生物質(zhì)和廢物，尤其是木質(zhì)纖維素資源，證明了生物質(zhì)的使用已成為一個(gè)真正的研究問題。就碳足跡而言，生物質(zhì)用于化學(xué)的益處不應(yīng)被夸大。化學(xué)產(chǎn)品的碳足跡是基本影響的總和，包括收獲、提取和轉(zhuǎn)化、合成的化學(xué)過程以及分離和純化、最終產(chǎn)品本身的使用及其使用壽命。因此，從石油轉(zhuǎn)向生物質(zhì)僅考慮植物生長過程中的二氧化碳消耗，而不是更多。

優(yōu)先使用可再生資源而不是化石資源必須首先被視為創(chuàng)新和增值的機(jī)會(huì)，以及限制經(jīng)濟(jì)對(duì)石油依賴的一種方式。從長遠(yuǎn)來看，這將被視為后石油時(shí)代化學(xué)的開創(chuàng)性步驟，無論何時(shí)發(fā)生。

選擇性生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)
生物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)熱和惡劣化學(xué)條件的敏感性更高，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)結(jié)果更復(fù)雜，因此分離和隔離步驟也更困難。每種生物分子家族，包括木質(zhì)素、碳水化合物和脂肪等，在化學(xué)反應(yīng)性和穩(wěn)定性方面都表現(xiàn)出特定的挑戰(zhàn)。與碳?xì)浠衔锵啾?，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異很大。對(duì)于每個(gè)家族，這些特征決定了它們化學(xué)反應(yīng)性的自然趨勢，因此也決定了可能的轉(zhuǎn)化范圍和新衍生物的分子設(shè)計(jì)。

其他挑戰(zhàn)與生物分子的物理狀態(tài)有關(guān)，無論是作為生物聚合物還是小分子，它們?cè)谠贾参镏械氖`方式，以及它們通過非共價(jià)但強(qiáng)的相互作用在網(wǎng)絡(luò)中結(jié)合在一起的方式，這需要特定的預(yù)處理和/或提取步驟。

一種選擇是高溫燃燒/裂解粗生物質(zhì)。最終，相比于導(dǎo)致部分分解生物質(zhì)的復(fù)雜混合物的工藝，這一選擇可以獲得碳氧化物和氫氣的混合物（合成氣方法），從而解決了選擇性問題。然后，合成氣中催化碳碳鍵的形成可以很容易地提供現(xiàn)有的工業(yè)相關(guān)化學(xué)品，盡管是低附加值產(chǎn)品。

另一種方法是針對(duì)更復(fù)雜的產(chǎn)品或中間體（平臺(tái)分子），當(dāng)有足夠純度和良好表征的生物分子可用時(shí)，只需進(jìn)行有限的預(yù)處理或無需預(yù)處理。事實(shí)上，重要且非常多樣化的挑戰(zhàn)仍然限制了已經(jīng)進(jìn)入市場的生物基化學(xué)品的范圍，在經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性方面都獲得了令人滿意的評(píng)價(jià)。在這里，我們強(qiáng)調(diào)了化學(xué)科學(xué)的哪些方面可以應(yīng)對(duì)主要挑戰(zhàn)，并提出了解決這些挑戰(zhàn)的未來方向。

催化反應(yīng)效率和選擇性需要設(shè)計(jì)特定的催化劑，在高氧介質(zhì)中具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性和活性，能夠解決生物分子底物的多功能性質(zhì)，同時(shí)預(yù)測目標(biāo)產(chǎn)品的穩(wěn)定性，避免不良的過度轉(zhuǎn)化產(chǎn)品。還必須解決區(qū)域異構(gòu)體或不同轉(zhuǎn)化水平（取代、還原、氧化、碳碳鍵斷裂）或聚合度之間的選擇性問題，以及某些金屬物質(zhì)的消耗，通過轉(zhuǎn)向更可用的物質(zhì)或非金屬催化方法。

溶劑設(shè)計(jì)
適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)受益于離子液體和帶催化劑的智能混合物以及深共熔溶劑領(lǐng)域的發(fā)展，能夠溶解高度結(jié)合和極性的固體，從而為以前使用的有機(jī)溶劑提供替代品。

由于生物質(zhì)化學(xué)涉及固體和液體作為起始材料，通常極性很強(qiáng)，并且（很少）最終產(chǎn)物在氣相中，因此必須精心設(shè)計(jì)能夠管理（通常非常粘稠的）液相和固液相過程的工藝，并可能同時(shí)分離目標(biāo)分子以防止過度反應(yīng)。

盡管底物的大小和復(fù)雜性，但了解多功能生物分子的固有相對(duì)反應(yīng)性和立即轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的反應(yīng)性，以及識(shí)別中間反應(yīng)物種，同時(shí)考慮溶劑和催化劑結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，將使我們了解反應(yīng)機(jī)制和最有希望的途徑。

生物基化學(xué)的更新需要開發(fā)新的高效、原子經(jīng)濟(jì)和清潔的生物分子和平臺(tái)分子轉(zhuǎn)化。這將擴(kuò)大可用構(gòu)建塊的范圍，并導(dǎo)致基于原始分子設(shè)計(jì)的創(chuàng)新化學(xué)品的發(fā)現(xiàn)。

分析方法和設(shè)備必須解決生物質(zhì)的高結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，首先要表征起始資源，然后監(jiān)測反應(yīng)的轉(zhuǎn)化、效率和選擇性。結(jié)合環(huán)境化學(xué)，分析科學(xué)對(duì)于確定最終用戶釋放的分子的命運(yùn)至關(guān)重要。

占生物質(zhì)主要部分的木質(zhì)纖維素物質(zhì)的聚合性質(zhì)以及可能的大分子靶標(biāo)范圍（通過改性天然生物聚合物或通過聚合生物基單體）在反應(yīng)性、工藝和應(yīng)用方面引發(fā)了特定問題。

物理化學(xué)和界面科學(xué)在理解基于生物分子的新構(gòu)造的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系方面發(fā)揮著作用，既包括其所需的應(yīng)用性質(zhì)，也包括對(duì)環(huán)境的影響。

這些對(duì)于生物精煉廠的發(fā)展必不可少，從預(yù)處理到分子轉(zhuǎn)化以及生物降解，各個(gè)層面都必不可少。展望未來，它們致力于環(huán)保地生產(chǎn)生物質(zhì)，旨在生產(chǎn)出具有更簡單的下游轉(zhuǎn)化步驟的資源作物和產(chǎn)品。具有生物啟發(fā)功能特性的生物質(zhì)生物合成和代謝途徑也可以促進(jìn)創(chuàng)新并豐富方法和目標(biāo)的范圍。

這些領(lǐng)域與環(huán)境科學(xué)一起，為衡量所有參與者（從種植生物質(zhì)的農(nóng)民到化學(xué)產(chǎn)品的最終用戶）的利益貢獻(xiàn)了關(guān)鍵觀點(diǎn)。

結(jié)論
當(dāng)然必須鼓勵(lì)在化學(xué)領(lǐng)域優(yōu)先使用可再生資源。有機(jī)產(chǎn)品的合成需要碳源。因此，石油或煤炭等化石碳資源的枯竭將預(yù)示著一個(gè)僅依賴生物質(zhì)的化學(xué)新時(shí)代的到來。這將在與其他重要環(huán)境問題相同的世紀(jì)末時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生，因此必須立即通過深入研究加以解決。此外，應(yīng)該提到的是，對(duì)生物基經(jīng)濟(jì)的政策激勵(lì)對(duì)于促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展也很重要。生物質(zhì)必須得到全球認(rèn)可，不僅是植物，因?yàn)槎趸?、藻類、酵母和昆蟲都是合理的替代品。從長遠(yuǎn)來看，開發(fā)使用生物質(zhì)和二氧化碳合成化學(xué)品的反應(yīng)和工藝將被視為后石油時(shí)代化學(xué)的開創(chuàng)性步驟。同時(shí)，這為我們提供了設(shè)計(jì)新型化學(xué)產(chǎn)品的機(jī)會(huì)，并為實(shí)現(xiàn)更清潔、可持續(xù)和更安全的化學(xué)創(chuàng)新做出貢獻(xiàn)。

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編譯 | Daisy
審核 | ZYP
排版 | 綠葉

參考資料略